CN101859066A - 一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米加工技术领域，公开了一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板及其制备方法。包括表面具有纳米结构的生物材料，在其具有纳米结构的那一表面覆盖有厚度为1～3μm的无机薄膜。以具有纳米结构的生物材料为基底，以金属材料或硅类无机材料为溅射靶，以惰性气体为工作气体，利用离子束溅射沉积法在基底具有纳米结构的那一表面沉积无机薄膜，沉积条件为：屏极电压1780～1820V，阳极电压为68～72V，加速极电压为98～102V，阴极放电电流12.3～12.7A，束流45～55mA，惰性气体流为8.7～8.9sccm，室内压强2.3×10^-2～2.5×10^-2Pa，沉积时间为235～245min，基底温度保持在31～35℃。本发明纳米压印模板结构简单，制备方法具有低成本、高效率的特点，不需要对压印阻挡层和模板进行疏水化处理，压印后易分离。

Description

一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米加工技术领域，具体涉及一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板及其制备方法。

背景技术

纳米压印技术是在20世纪九十年代被首次提出的，这种技术的加工分辨能力只与模板图案的尺寸有关，而不受光学光刻的最短曝光波长的物理限制。由于省去了光学光刻掩膜板和使用光学成像设备的成本，继承了电子束刻蚀技术的高分辨率特点，同时保留了传统刻蚀技术大批量生产的优势，因此纳米压印技术一诞生就以其高分辨率、高产率、低成本引起了各国科学家和产业界的兴趣和重视。

纳米压印刻蚀技术的核心思想是图形的复制与转移。整个技术实现的前提是制备高分辨率、稳定、可重复使用的模板。可以这么说，模板上的图形质量决定了纳米压印能够达到的转移到聚合物上的图形质量，模板上的分辨率决定了聚合物上图案的分辨率，而通常用到的制备方法有电子束、极紫外光、聚焦离子束或反应离子刻蚀等，也可采用传统的机械刻划形成。目前，纳米压印模板的材料主要为硅和二氧化硅等半导体材料，最为常用的模板制作方法是电子束直写曝光结合反应离子刻蚀。但是传统的制作纳米压印模板存在效率低、设备昂贵等一些缺点，而且模板在压印前还需进行抗粘处理，以避免模板与压印阻挡层(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS或聚碳酸酯PC)的粘结产生缺陷。

自然界中存在的生物材料许多都具有特殊功能的生物表面微纳结构。这些表面微纳结构是生物种群在自然界经过漫长的进化演变而具有特殊的生物功能，与它们的生存息息相关(PeteVukusic and J.Roy Sambles，Nature 424(2003)852-855)。这些具有特殊功能的生物表面结构的存在使得其表面具有较强的疏水性，但是这些生物表面结构没有足够的强度，作纳米压印模板时，在其与基底接触与分离的过程中，极易发生变形或磨损，严重影响图形传递质量，以致生物材料未能在纳米压印模板技术中得到充分应用。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板及其制备方法，所得纳米压印模板因其表面沉积一层无机薄膜，增加了生物材料表面的强度，从而可以用于纳米压印过程。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板，其特别之处在于：包括表面具有纳米结构的生物材料，在其具有纳米结构的那一表面覆盖有厚度为1～3μm的无机薄膜。其厚度的选取一方面要保证生物材料表面的强度，另一方面还要保证其不足以影响到生物材料表面的特征尺寸而影响到图形的传递质量。

所述生物材料为荷叶或竹叶。

无机薄膜为铜膜或硅膜。

一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板的制备方法：以表面具有纳米结构的生物材料为基底，以金属材料或硅类无机材料为溅射靶，以惰性气体为工作气体，利用离子束溅射沉积法在基底具有纳米结构的那一表面沉积厚度为1～3μm的无机薄膜，沉积条件为：屏极电压1780～1820V，阳极电压为68～72V，加速极电压为98～102V，阴极放电电流12.3～12.7A，束流45～55mA，惰性气体流为8.7～8.9sccm，室内压强2.3×10^-2～2.5×10^-2Pa，沉积时间为235～245min，基底温度保持在31～35℃。

较好地，屏极电压1800V，阳极电压为70V，加速极电压为100V，阴极放电电流12.5A，束流50mA，惰性气体流为8.8sccm，室内压强2.4×10^-2Pa，沉积时间为240min，基底温度保持在33℃。

本发明中惰性气体可以为氩气、氦气、氖气、氪气、氙气等，但优选为氩气。

生物材料为荷叶或竹叶。

金属材料为铜，相应的无机薄膜为铜膜；硅类无机材料为硅，相应的无机薄膜为硅膜。

本发明的积极效果在于：

本发明纳米压印模板结构简单，其上覆盖一层无机薄膜增加了生物材料表面结构的强度，使其可以用于纳米压印过程；制备纳米压印模板的方法具有低成本、高效率的特点，不需要昂贵的模板制作设备和原材料，制作简单，更主要的是利用生物材料表面的原始结构制备纳米压印模板，不需要对压印阻挡层和模板进行疏水化处理，压印后易分离，为纳米压印过程中模板的制备提供了一个新的途径。

附图说明

图1：实施例1中沉积铜膜或硅膜后的荷叶表面的扫描电子显微镜图，其中(a)为镀铜膜后的荷叶表面形貌，(b)为镀硅膜后的荷叶表面形貌。

图2：实施例1中测量出的镀铜膜和硅膜后荷叶表面的疏水性质，其中(a)为镀铜膜后的荷叶表面的疏水性质，(b)为镀硅膜后的荷叶表面的疏水性质；

图3：实施例1中纳米压印过程后的纳米压印模板和阻挡层表面的扫描电子显微镜图，其中(a)为用镀铜膜纳米压印模板压印后的聚苯乙烯；(b)压印后的镀铜膜纳米压印模板；(c)用镀硅膜纳米压印模板压印后的聚苯乙烯；(d)压印后的镀硅膜纳米压印模板；

图4：实施例1中荷叶直接应用于纳米压印过程后，荷叶表面的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此：

实施例1

一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板的制备方法：以具有纳米结构的荷叶(自然界存在)为基底，以铜或硅为溅射靶，以氩气为工作气体，利用离子束溅射沉积法在基底具有纳米结构的那一表面沉积厚度为1～2μm的无机薄膜，沉积条件为：屏极电压1800V，阳极电压为70V，加速极电压为100V，阴极放电电流12.5A，束流50mA，氩气流为8.8sccm，压强2.4×10^-2Pa，沉积时间为240min，基底温度保持在33℃。沉积铜膜或硅膜后的荷叶表面的扫描电子显微镜表征结果见图1，其中(a)为镀铜膜后的荷叶表面形貌，(b)为镀硅膜后的荷叶表面形貌。

水接触角测试：

利用水接触角测量仪测量荷叶镀膜后表面的水接触角，整个过程室温下进行，每次选择水滴的容量为4μL，在不同的样品表面区域选择三个点，求平均值，测量得到镀铜膜后荷叶表面的水接触角约为120°，镀硅膜后的荷叶表面的水接触角为140°，结果见图2，其中(a)为镀铜膜后的荷叶表面的疏水性质，(b)为镀硅膜后的荷叶表面的疏水性质。

镀膜前/后的荷叶应用于纳米压印过程结果比较：

本发明：将本实施例所得的纳米压印模板应用于纳米压印过程，纳米压印采用热压印模式，首先以1000r/min的速度在经过处理的硅片表面旋涂5层聚苯乙烯(厚度600nm)，然后在90℃下恒温加热30min，做为纳米压印阻挡层；把制备好的纳米压印模板和阻挡层放入纳米压印机中，设定纳米压印的条件为温度150℃，压力30bar，实验保持的时间200s，冷却至90℃后脱模。纳米压印过程后的纳米压印模板和阻挡层表面的扫描电子显微镜结果见图3，其中(a)为用镀铜膜的纳米压印模板压印后的聚苯乙烯；(b)压印后的镀铜膜纳米压印模板；(c)用镀硅膜纳米压印模板压印后的聚苯乙烯；(d)压印后的镀硅膜纳米压印模板。

对照：将荷叶不经镀膜，直接应用于纳米压印过程，条件同上述本发明项所示。纳米压印过程后的荷叶表面的扫描电子显微镜结果见图4，压印后荷叶表面结构有倒伏现象，表面结构得到破坏。

从上述比较分析可知：镀膜后荷叶表面结构能很顺利的进入阻挡层内部，并且表面结构保存完整，说明镀膜后荷叶表面强度增加了，从而确保较高的图形传递质量，亦可重复使用，而将荷叶不经镀膜，直接应用于纳米压印过程后，荷叶表面结构有倒伏现象，表面结构得到破坏，影响图形的传递质量。

实施例2

一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板的制备方法：以具有纳米结构的竹叶(自然界存在)为基底，以铜为溅射靶，以氩气为工作气体，利用离子束溅射沉积法在基底具有纳米结构的那一表面沉积厚度为1～1.5μm的铜膜，沉积条件为：屏极电压1780V，阳极电压为68V，加速极电压为98V，阴极放电电流12.3A，束流45mA，氩气流为8.7sccm，室内压强2.3×10^-2Pa，沉积时间为235min，基底温度保持在31℃。

实施例3

一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板的制备方法：以具有纳米结构的荷叶(自然界存在)为基底，以硅为溅射靶，以氩气为工作气体，利用离子束溅射沉积法在基底具有纳米结构的那一表面沉积厚度为2～3μm的硅膜，沉积条件为：屏极电压1820V，阳极电压为72V，加速极电压为102V，阴极放电电流12.7A，束流55mA，氩气流为8.9sccm，室内压强2.5×10^-2Pa，沉积时间为245min，基底温度保持在35℃。

本发明实施例中，扫描电子显微镜为日本电子株式会社的JSM-5600LV扫描电子显微镜；离子束溅射仪器为沈阳科友真空技术研究所的FDJ600型高真空多功能薄膜沉积设备；水接触角测量仪为日本协和界面科学(Kyowa InterfaceScience，Japan)的Dropmaster 300。

如上述实施例中荷叶或竹叶均是本发明优选的生物材料实施方式，但是不限于这些，例如本发明还可用于其他生物表面结构上沉积无机薄膜进行压印模板的制备，例如可以在昆虫蝴蝶的复眼或翅膀表面。

Claims (8)

1.一种基于生物材料表面结构的纳米压印模板，其特征在于：包括表面具有纳米结构的生物材料，在其具有纳米结构的那一表面覆盖有厚度为1～3μm的无机薄膜。

2.如权利要求1所述的基于生物材料表面结构的纳米压印模板，其特征在于：所述生物材料为荷叶或竹叶。

3.如权利要求1或2所述的基于生物材料表面结构的纳米压印模板，其特征在于：无机薄膜为铜膜或硅膜。

4.一种制备如权利要求1所述的基于生物材料表面结构的纳米压印模板的方法，其特征在于：以表面具有纳米结构的生物材料为基底，以金属材料或硅类无机材料为溅射靶，以惰性气体为工作气体，利用离子束溅射沉积法在基底具有纳米结构的那一表面沉积厚度为1～3μm的无机薄膜，沉积条件为：屏极电压1780～1820V，阳极电压为68～72V，加速极电压为98～102V，阴极放电电流12.3～12.7A，束流45～55mA，惰性气体流为8.7～8.9sccm，室内压强2.3×10^-2～2.5×10^-2Pa，沉积时间为235～245min，基底温度保持在31～35℃。

5.如权利要求4所述的制备基于生物材料表面结构的纳米压印模板的方法，其特征在于沉积条件为：屏极电压1800V，阳极电压为70V，加速极电压为100V，阴极放电电流12.5A，束流50mA，惰性气体流为8.8sccm，室内压强2.4×10^-2Pa，沉积时间为240min，基底温度保持在33℃。

6.如权利要求4或5所述的制备基于生物材料表面结构的纳米压印模板的方法，其特征在于：惰性气体为氩气。

7.如权利要求6所述的制备基于生物材料表面结构的纳米压印模板的方法，其特征在于：生物材料为荷叶或竹叶。

8.如权利要求7所述的制备基于生物材料表面结构的纳米压印模板的方法，其特征在于：金属材料为铜，相应的无机薄膜为铜膜；硅类无机材料为硅，相应的无机薄膜为硅膜。

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