[發明專利]一種一體式跨尺度微納米柱陣列的加工方法及其應用

有效

• 申請號: 202210365225.1
• 申請日: 2022-04-08
• 公開（公告）號: CN114477078B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 文莉;廖立睿;周熟能;楊俊峰
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B81B3/00;G01L1/22
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發明公開了一種一體式跨尺度微納米柱陣列的加工方法及其應用，其加工步驟為：首先利用飛秒激光在表面貼附有柔性薄膜的聚合物模板上，加工出內壁帶有納米凹坑的微孔陣列；然后去除聚合物模板上的柔性薄膜，將液態柔性材料涂敷于聚合物模板表面并擴散至微孔陣列內部，固化、脫模后，即獲得一體式跨尺度微納米柱陣列。本發明制備的微納米結構具有一體式、柔性輕薄、穩定可靠、易于集成等優點，將其應用于柔性微壓力傳感器中，利用其微米柱感知大壓力、納米凸起感知微小壓力，從而使柔性微壓力傳感器能檢測極小壓力，且具有較寬線性范圍以及較高靈敏度的特點。

技術領域

本發明涉及微納米加工技術領域，特別涉及一種制備一體式跨尺度微納米柱陣列的方法，利用該方法制備的微納米柱陣列結構可應用于柔性微壓力傳感器。

背景技術

跨尺度微納米結構的主要表現形式為微米納米結構共存于同一物體，但根據微米和納米結構的不同形狀，跨尺度的微納米結構又分為核-殼式結構、納米顆粒散布的混合微米結構、分級異質結構。核-殼式結構是在微米級的球體或立方體表面裹附一層納米級的相同形狀；納米顆粒散布的混合微米結構是在微米級的立方體或柱體表面均勻的散布納米顆粒；分級異質式的微納米結構通常由一維納米棒在微米結構表面上外延生長，由此形成由不同材料組成的分級微納米結構。相較于單個尺度的組件，跨尺度微納米結構由于其微米與納米結合的結構，在特定的應用中表現出獨特的性能，例如：在傳感器領域，可利用其微米結構感知大壓力，納米結構感知微小壓力；在表面超疏水領域，可利用其微納米結構實現超疏水，實現自清潔、防霧防凍、液滴轉運等功能；在光學領域，通過微納米結構可改變材料表面對光的吸收率和反射率，進而改變物體表面的顏色。由此可見，跨尺度微納米結構在實際應用中具有廣泛的應用前景，在現有技術中也出現了很多跨尺度微納米結構的加工方法。

在目前的研究中，很多研究者多采用沉積、外延生長、微納加工等的技術方法制備跨尺度微納米結構，主要有以下四種方法。第一種是化學氣相沉積，該方法以高度可控的方式外延生長納米異質結構，可以通過微調蒸氣前體的生長溫度、反應時間、濃度、流速以及前體和襯底的性質來控制生長，如Zhao等人在《ACS Applied Materials Interfaces》2020年12月中報道了通過化學氣相沉積合成三維碳納米管纖維海綿應用于壓阻傳感器^[1]，但該方法需要較苛刻的實驗條件，如高溫、高真空度；此外，化學氣相沉積需要襯底來支持生長的目標材料，故需要額外的處理來轉移合成材料以供進一步的研究和應用。第二種制備微納米結構的方法是電化學沉積的方法，如Kong等人在《ACS Nano》2021年9月中報道了利用電化學沉積的方法在銅電極表面沉積納米級的鋅顆粒^[2]；該方法可以在室溫下實現溶液相中納米結構的外延生長，但該方法程序復雜，反應緩慢，且主要在金屬表面沉積納米結構，金屬在柔性電子器件領域的應用受限。第三種方法是使用較多的水熱法，將反應前體與表面活化劑一同溶解于水或有機溶劑中，然后將混合溶液導入聚四氟乙烯襯里的鋼高壓反應釜中，隨后將反應釜加熱至高于溶劑沸點，在高壓釜內產生高壓以促進晶體生長。如Xiao等人在《Advanced Materials》2011年10月報道了在聚苯乙烯表面水熱生長ZnO納米線^[3]，通過該方法可以在相對較低溫度和較低成本下實現外延雜化納米結構的高產和大規模合成，但是很難可控的實現均勻生長的納米結構，而且反應溶液有毒有害不易處理。第四種方法是微納加工的方式，采用分級加工的方式，先加工微米結構，再加工納米結構。如Wang等人在《Advanced Functional Materials》2021年報道了采用分級光刻的方法^[4]，第一次光刻利用微米級的掩模版刻蝕微米結構，第二次光刻利用納米級的掩模版刻蝕納米結構，這種方法雖然能制備均勻的一體式微納米結構，但是加工工藝復雜，加工成本高。目前，有研究采用飛秒激光正交掃描柔性材料形成微納米柱，如Bai等人在《Chemical EngineeringJournal》2019年10月報道用飛秒激光制備表面帶有顆粒狀納米結構的微柱陣列^[5]，但該納米結構是飛秒激光加工微柱時產生的材料碎屑在微柱上重新沉積并固化得到，其納米結構和微柱本體材料是非一體式的分層結構。上述方法中多利用沉積和生長的方案，制備的微納米結構均為非一體式的分層結構，這種結構在復雜環境的應用中存在納米結構易脫落、性能不穩定的現象；采用光刻的方法雖然可以制備一體式的微納米結構，但是加工成本高、工藝復雜。