CN101723314A - 一种用于制备纳米线阵列的模板的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制备纳米线阵列的模板的制造方法，采用热膨胀系数小于15＊10-6K-1的衬底材料和热膨胀系数大于50＊10-6K-1的软质薄膜，利用衬底与薄膜两种材料热膨胀系数的巨大差异，在热膨胀系数大的薄膜材料上引入足够大的热应力，然后在瞬间将其释放，热膨胀系数大的薄膜表面形成排列规则、有序的裂纹。利用该裂纹阵列作为模板，用于制备纳米线阵列，本发明工艺简单、过程参数容易控制、成本低，重复性好。
Description
技术领域
本发明属于新型纳米结构材料制备与器件应用技术领域，具体涉及一种用于制备纳米线阵列的模板及其制造技术。
技术背景
在过去十几年里，纳米技术得到了飞速发展。人们已经能够利用多种制备技术如化学气相沉积、水热合成、热蒸发等，来制造多种材料如金属、半导体、陶瓷、聚合物的纳米线、纳米管等多种纳米结构。然而迄今为止，要快速、低成本、可控地制备排列有序的低维结构材料，仍然是个具有挑战性的课题。虽然已有精密的技术工艺能够制造出纳米尺度的结构图案，但在绝大多数情况下，这些技术要么图案成形速度慢且制造成本高(例如电子束曝光)，要么只适用于某些特定的材料体系或特定的制备技术。例如材料低维结构(如纳米线、纳米点及其阵列结构)的自组织生长就只适用于某些特定的材料体系，并且缺乏可控性及重复性差。
另一方面，薄膜的开裂现象已被作为材料的破坏性特征研究了几十年，其主要的产生机理是由于薄膜材料中机械应力或热应力的引入。例如通过弯曲覆盖有脆性薄膜的柔韧衬底即引入大的机械应力，或对沉积在热膨胀系数小的硬质衬底上的热膨胀系数大的薄膜引入高热应力，都可以使得覆盖在衬底表面的薄膜形成裂缝。热应力引入导致薄膜开裂的现象，是由于薄膜与其所覆盖的衬底材料之间存在足够大的热膨胀系数差异。因此，利用薄膜与衬底材料热胀冷缩程度的不同，通过“低温-高温”之间的冷热循环处理，很容易导致热膨胀系数大的薄膜材料产生开裂现象。
发明内容
本发明基于引入热应力的方法，提供一种用于制备纳米线阵列的模板的制造方法，利用衬底与薄膜两种材料热膨胀系数的巨大差异，在热膨胀系数大的薄膜产生纳米级裂缝。这种薄膜表面所形成的纳米级裂缝可以被用做生产纳米线的模板。
本发明提供一种用于制备纳米线阵列的模板的制造方法。采用热膨胀系数小于15*10-6K-1的衬底材料和热膨胀系数大于50*10-6K-1的软质薄膜，利用衬底与薄膜两种材料热膨胀系数的巨大差异，在热膨胀系数大的薄膜材料上引入足够大的热应力，然后在瞬间将其释放，热膨胀系数大的薄膜表面形成排列规则、有序的裂纹，得到用于制备纳米线阵列的模板，制备步骤如下：
(1)选取一块表面平整、质地较硬、强度好、热膨胀系数小于15*10-6K-1的薄片材料作为衬底材料，首先采用旋涂(Spin Coating)法在衬底表面镀覆一层厚度为500～600纳米的热膨胀系数大于50*10-6K-1的软质薄膜，然后烘干；
(2)利用光刻技术将软质薄膜刻蚀成长条形图案，使得留在衬底表面的长条状软质薄膜的宽度为5～15微米之间；
(3)将光刻后得到的长条状的软质薄膜连同硬质衬底一起，在70～90℃温度范围加热10～15分钟；
(4)将加热后的衬底连同长条状软质薄膜浸入液氮或液氦中，2～3秒钟后将其从液氮或液氦中取出，软质薄膜在液氮或液氦中浸淬后形成裂纹，将其置于显微镜下观察，在长条状的软质薄膜区域内见到规则排列的多条线状裂纹，裂纹形成处的衬底暴露，此时模板制作即告完成。
本发明的工艺步骤(1)中所述的热膨胀系数小于15*10-6K-1的衬底材料可以是单晶硅抛光片、单晶蓝宝石抛光片、石英玻璃片或普通玻璃片。
本发明的工艺步骤(1)中所述的热膨胀系数大于50*10-6K-1的软质薄膜材料可以是聚合物薄膜，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜。
本发明的工艺步骤(1)中提到的软质薄膜的厚度在500～600纳米之间可调。
本发明的工艺步骤(2)中提到的长条状软质薄膜宽度在5～15微米之间可调，长度不限。经光刻后在衬底上可以只保留一条长条薄膜，也可以保留多条长条薄膜。若保留多条长条薄膜，则两相邻长条状软质薄膜之间的距离也不限，一般取间距不小于1毫米。
本发明的工艺步骤(4)中提到的软质薄膜在液氮或液氦中浸淬后形成裂纹，宽度在50～300纳米之间可调，裂纹的深度即为软质薄膜的厚度。
本发明利用衬底与薄膜二种材料热膨胀系数的巨大差异，在热膨胀系数大的薄膜材料上引入足够大的热应力，然后在瞬间将其释放，而应力释放的结果是热膨胀系数大的薄膜产生纳米级裂缝。这种薄膜表面所形成的纳米级裂缝可以被用做生产纳米线的模板。这种基于薄膜开裂所形成的裂纹模板制备纳米线的技术相对于电子束曝光等技术，具有工艺简单且成本低的特征。
不仅如此，本发明首先结合光刻工艺以控制热膨胀系数大的薄膜的形状和尺寸，获得宽度为5～15微米不等的长条形的薄膜，同时控制好薄膜的厚度；然后通过冷热循环处理的方法，便可使得该长条形薄膜表面形成排列规则、有序的裂纹。利用该裂纹阵列作为模板，可以进一步制备排列有序的纳米线阵列，而该纳米线阵列将有望在纳米线阵列传感器方面，或在阵列型脊型光波导器件方面得到应用。
本发明的主要技术优点在于：
相对于采用电子束曝光等工艺制备纳米线阵列而言，采用本发明涉及的模板制备纳米线阵列的工艺简单、过程参数容易控制、成本低；相对于纳米线列阵的自组织生长仅适合于特定的材料体系并且重复性较差而言，本发明涉及的模板对于制备几乎所有材料的纳米线列阵都适合，并且重复性好；相对于利用阳极氧化铝模板(AAO)所制备的纳米线阵列垂直于衬底表面而言，本发明涉及的模板可用于制备平行于衬底的纳米线阵列。利用该模板制备的纳米线列阵，可在传感器和阵列型脊型光波导器件等领域得到应用。
附图说明
图1是根据本发明的实施例1所制备的一条宽度为10微米的长条状聚合物薄膜模板的显微镜照片。模板内有规则排列的锯齿状裂纹阵列。裂纹的宽度约180纳米，长度约13微米。
图2是根据本发明的实施例2所制备的一条宽度为8微米的长条状聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄膜模板的显微镜照片。模板内有规则排列的锯齿状裂纹阵列。裂纹的宽度约200纳米，长度约9微米。
具体实施方式
实施例1
(1)选取一块厚度约为380微米的镜面抛光的单晶硅片作为衬底材料，首先采用旋涂(spin-coating)法在衬底表面涂覆一层厚度为600纳米的聚合物薄膜；
(2)利用光刻技术将聚合物薄膜刻蚀成长条形图案，使得驻留在衬底表面的长条状聚合物薄膜的宽度为10微米，聚合物薄膜长条之间的间距在2毫米；
(3)将光刻后得到的长条状的聚合物薄膜连同衬底一起在80℃温度的大气环境下加热15分钟；
(4)将加热后的聚合物薄膜连同硅衬底一起浸入液氮中，2秒钟后将其从液氮中取出，即可在涂覆有聚合物薄膜的区域见到规则排列的裂纹。裂纹的宽度为180纳米左右，长度约13微米，裂纹的深度即为聚合物薄膜的厚度。
本实施例制备得到的纳米线阵列模板样品的显微镜照片，见图1。
实施例2
(1)选取一块镜面抛光的单晶硅片作为衬底材料，首先采用旋涂(spin-coating)法在衬底表面涂覆一层厚度为550纳米的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜；
(2)利用光刻技术将PMMA薄膜刻蚀成长条形图案，使得留在衬底表面的长条状PMMA薄膜的宽度为8微米，PMMA薄膜长条之间的间距在1毫米；
(3)将光刻后得到的长条状的PMMA薄膜连同衬底一起在90℃温度的大气环境下加热12分钟；
(4)将加热后的PMMA薄膜连同硅衬底一起浸入液氮中，3秒钟后将其从液氮中取出，即可在镀覆有PMMA薄膜的区域见到规则排列的裂纹。裂纹的宽度约为200纳米，长度约9微米，裂纹的深度即为PMMA薄膜的厚度。
本实施例制备得到的纳米线阵列模板样品的显微镜照片，见图2。
Claims (5)
1.一种用于制备纳米线阵列的模板的制造方法，采用热膨胀系数小于15*10-6K-1的衬底材料和热膨胀系数大于50*10-6K-1的软质薄膜，利用衬底与薄膜两种材料热膨胀系数的巨大差异，在热膨胀系数大的薄膜材料上引入足够大的热应力，然后在瞬间将其释放，热膨胀系数大的薄膜表面形成排列规则、有序的裂纹，得到用于制备纳米线阵列的模板，制造步骤如下：
1)选取一块表面平整、质地较硬、强度好、热膨胀系数小于15*10-6K-1的薄片材料作为衬底材料，首先采用旋涂法在衬底表面涂覆一层厚度为500～600纳米的热膨胀系数大于50*10-6K-1的软质薄膜，然后烘干；
2)利用光刻技术将软质薄膜刻蚀成长条形图案，使留在衬底表面的长条状软质薄膜的宽度在5～15微米之间；
3)将光刻后得到的长条状的软质薄膜连同硬质衬底一起，在70～90℃温度范围加热10分钟至15分钟；
4)将加热后的衬底连同长条状软质薄膜浸入液氮或液氦中，2～3秒钟后将其从液氮或液氦中取出，软质薄膜在液氮或液氦中浸淬后形成裂纹，将其置于显微镜下观察，在长条状的软质薄膜区域内见到规则排列的线状裂纹，线状裂纹的宽度为纳米量级，裂纹形成处的衬底暴露，得到用于制备纳米线阵列的模板。
2.根据权利要求1所述的用于制备纳米线阵列的模板的制造方法，其特征是：所述线状裂纹的宽度在50～300纳米之间可调，裂纹的深度即为软质薄膜的厚度，线状裂纹的长度在7～20微米之间可调。
3.根据权利要求1所述的用于制备纳米线阵列的模板的制造方法，其特征是：所述衬底材料是单晶Si抛光片、单晶蓝宝石抛光片或普通玻璃片。
4.根据权利要求1所述的用于制备纳米线阵列的模板的制造方法，其特征是：所述软质薄膜是聚合物薄膜。
5.根据权利要求4所述的用于制备纳米线阵列的模板的制造方法，其特征是：所述软质薄膜是聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
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