CN102718181B - 一种仿壁虎脚结构材料制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳仿生结构的制造工艺，具体涉及一种仿壁虎脚结构材料的制造工艺，1.自组装聚苯乙烯小球，小球直径为100nm～1um；2.等离子刻蚀聚苯乙烯小球；3.镀保护层；4.去除聚苯乙烯小球；5.镀催化剂层；6.湿法刻蚀；7.旋涂光刻胶并光刻显影；8.铸模并脱模：将聚二甲基硅氧烷PDMS倒在复合模具上，烘烤后从复合模具上剥离，得到微纳分层的仿壁虎脚结构材料。本发明可用于制造一种仿壁虎脚分层结构，该结构具有很强的吸附力又能轻易脱离吸附表面、且具有超疏水性、自清洁能力。

Description

一种仿壁虎脚结构材料制造工艺
技术领域
本发明属于微纳仿生结构的制造工艺，具体涉及高深宽比和跨尺度分层结构的制造工艺，可用于制造一种仿壁虎脚分层结构，该结构具有很强的吸附力又能轻易脱离吸附表面、且具有超疏水性、自清洁能力。
背景技术
近年来，仿生材料在医学、能源等领域应用越来越广。具有跨尺度结构的生物结构，如苍蝇复眼表面结构、荷叶表面结构、壁虎脚表面结构等，具有非常优越的特性。因此，探索这些跨尺度仿生结构的制造工艺，具有非常重要的意义。
自然界中的壁虎脚表面具有多级跨尺度的分层结构，在接触其他表面时，可以产生很强的粘附力，并且能够很轻易的脱离粘附表面。壁虎脚表面的这种微纳结构使得壁虎可以在垂直墙面和天花板上自由爬行。同时壁虎脚表面的这种跨尺度结构，具有超疏水性，污水不容易在其表面吸附、沉积，具有自清洁能力。目前加工仿壁虎脚结构材料的加工方法成本很高，对设备的依赖很大，需要使用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀等昂贵设备，工艺复杂，且难以加工高度有序纳米尺度结构。这种仿壁虎脚结构材料具有跟壁虎脚表面结构相近的特性，在爬行机器人、干性粘合剂等领域中有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明提供一种仿壁虎脚结构材料的制造工艺，克服了目前加工跨尺度分级微纳结构成本高、工艺复杂、不能加工出高度有序纳米结构，疏水性不好、不具自清洁能力等缺点。
本发明提供的一种仿壁虎脚结构材料的制造工艺，其步骤包括：
第1步、自组装聚苯乙烯小球
在洁净硅片上自组装一层紧密排布的聚苯乙烯小球，聚苯乙烯小球的直径为100nm～1um；
第2步、等离子刻蚀聚苯乙烯小球
使用等离子刻蚀设备，用O2刻蚀硅片表面的聚苯乙烯小球，使其直径缩小，紧密排布的聚苯乙烯小球变成相互分离有序排布的聚苯乙烯小球；
第3步、镀保护层
在第2步处理后的硅片表面镀一层铬膜，作为保护层；
第4步、去除聚苯乙烯小球
完全去除镀保护层的硅片表面的聚苯乙烯小球，然后使用去离子水清洗干净，然后烘干；
第5步、镀催化剂层
在硅片表面镀一层催化剂层；
第6步、湿法刻蚀
在催化剂层的催化作用下，对镀催化剂层的硅片进行湿刻蚀，得到带纳米级孔的硅模具，刻蚀深度为聚苯乙烯小球直径的2～5倍；刻蚀的溶液为氢氟酸和双氧水的混合溶液，溶液中氢氟酸的浓度为3-6mol/L，双氧水的浓度为0.3-2mol/L。
第7步、旋涂光刻胶并光刻显影
在第6步中得到的带纳米孔硅模具上旋涂光刻胶，使用孔阵列掩模板进行光刻并显影，制作微米级的光刻胶孔结构，得到跨尺度的分级孔结构的复合模具；掩模板上孔径为1um～30um，光刻胶厚度为掩模板孔径的2～10倍；
第8步、铸模并脱模
将聚二甲基硅氧烷PDMS倒在复合模具上，烘烤后从复合模具上剥离，得到微纳分层的仿壁虎脚结构材料。
作为上述技术方案的改进，第5步中的催化剂层为金膜或者银膜。
作为上述技术方案的进一步改进，第6步中的湿法刻蚀所用的溶液为氢氟酸和双氧水的混合溶液，溶液中氢氟酸的浓度为3-6mol/L，双氧水的浓度为0.3-2mol/L。
本发明可以非常便利地制造出高深宽比的仿壁虎脚微纳分层结构，具体而言，本发明具有以下技术特点：
(1)通过选择第1步中的聚苯乙烯小球的直径控制湿法刻蚀得到的硅纳米孔的直径，通过控制旋涂光刻胶的厚度和选择掩模板上孔的直径控制光刻胶结构孔的直径和深度。
(2)第2步处理后得到聚苯乙烯小球层，其中的聚苯乙烯小球之间已相互分离。
(3)经过第3和第4步处理，在硅片表面得到的是带纳米级孔的铬膜。
(4)在后续第5、第6步中，铬膜保护的地方不会被刻蚀下去，没有铬膜保护的地方，即纳米级孔阵列，会通过金膜或者银膜的催化刻蚀作用，在硅片上刻蚀出高深宽比的孔阵列。
(5)第4步中，使用有机溶剂将聚苯乙烯小球完全去除，而不会对保护层(铬膜)造成影响。
(6)制作仿壁虎脚结构材料的模具是光刻胶和硅的复合模具，可以一次制造出大面积的仿壁虎脚结构材料。
(7)制作工艺主要包括光刻、镀膜和湿法刻蚀，设备要求简单，成本低廉，操作简单。
附图说明
图1为制作带纳米孔的硅模具工艺示意图；图中1为硅片表面，2为聚苯乙烯小球，3为等离子刻蚀后的聚苯乙烯小球，4为铬膜，5为金膜或者银膜，6为硅纳米孔；
图2为制作复合模具及聚二甲基硅氧烷(PDMS)铸模并脱模的工艺示意图；图中7为带纳米孔的硅模具，8为光刻胶，9为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
图3为在硅片表面旋涂单层紧密排布聚苯乙烯小球的电子显微镜图；
图4为使用等离子刻蚀使聚苯乙烯小球直径缩小后得到的单层的相互分离有序排布的聚苯乙烯小球电子显微镜图；
图5为光刻显影后得到带微米孔的光刻胶结构电子显微镜图。
具体实施方式
在微纳加工加工领域中，金属辅助刻蚀(催化刻蚀)是一种可以加工高深宽比的微米和纳米结构的加工方法，即在硅片表面制作一层微纳米尺度图形的金属薄膜(如金膜、银膜等)，然后放到一定配比的刻蚀溶液中，可以刻蚀得到高深宽比的硅结构，这种方法的方向选择性很高。自组装聚苯乙烯小球，是一种可以在硅片表面自组装一层单层聚苯乙烯小球的工艺，即在一定配比的聚苯乙烯小球溶液中，放入硅片，一定时间以后便在硅片表面自组装了一层紧密排布的单层聚苯乙烯小球，聚苯乙烯小球的直径大约为几百纳米到几个微米。本发明在硅片上先自组装一层单层紧密排布的聚苯乙烯小球，使用等离子刻蚀使聚苯乙烯小球直径缩小，紧密排布的聚苯乙烯小球变成了相互分离有序排布的聚苯乙烯小球；然后通过电子束蒸发镀膜等技术在硅片上制作带孔的金属膜，使用有机溶剂去掉聚苯乙烯小球后，使用金属辅助刻蚀加工高深宽比的具有纳米孔的硅模具。在带有纳米孔的硅模具上利用光刻技术制作光刻胶结构的微米孔，便得到分层跨尺度的复合模具。使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)在分级孔模具上铸模，脱模后便得到了跨尺度的仿壁虎脚结构材料。
下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实例1：
1、自组装聚苯乙烯小球
在洁净硅片上自组装一层单层的紧密排布的聚苯乙烯小球，聚苯乙烯小球的直径为500nm。
2、等离子刻蚀聚苯乙烯小球
使用等离子刻蚀设备，用O2刻蚀硅片表面的聚苯乙烯小球，使其直径缩小，紧密排布的聚苯乙烯小球变成相互分离有序排布的聚苯乙烯小球。
3、镀保护层
在步骤2中处理后的硅片，镀一层铬膜，作为保护层。
4、去除聚苯乙烯小球
将镀保护层的硅片放入甲苯中，完全去除硅片表面的聚苯乙烯小球。然后使用去离子水清洗，去除残余有机溶剂后，烘干。
5、镀催化剂层
在硅片表面镀一层银膜，作为催化剂层。
6、湿法刻蚀
将硅片放入氢氟酸和双氧水的混合溶液中，在催化剂层的催化作用下，刻蚀出带纳米孔的硅模具。刻蚀深度为2um。氢氟酸和双氧水的混合溶液中氢氟酸的浓度为5mol/L，双氧水的浓度为1mol/L。
7、旋涂光刻胶并光刻显影
在步骤6中得到的带纳米孔硅模具上旋涂10um厚的光刻胶，使用直径为3um的孔阵列掩模板进行光刻并显影，制作出直径3um，高度10um的光刻胶孔结构，得到跨尺度的分级孔结构的复合模具。
8、铸模并脱模
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在复合模具上，烘烤后从复合模具上剥离，得到微纳分层的仿壁虎脚结构材料。
实例2，3
操作步骤同实例1，参数如下：
本发明实例中，第4步去除聚苯乙烯小球可以采用各种能够溶解聚苯乙烯的有机溶剂，常见的如甲苯、二氯甲苯等。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种仿壁虎脚结构材料的制造工艺，其步骤包括：
第1步、自组装聚苯乙烯小球
在洁净硅片上自组装一层单层的紧密排布的聚苯乙烯小球，聚苯乙烯小球的直径为100nm～1um；
第2步、等离子刻蚀聚苯乙烯小球
使用等离子刻蚀设备，用O2刻蚀硅片表面的聚苯乙烯小球，使其直径缩小，紧密排布的聚苯乙烯小球变成相互分离有序排布的聚苯乙烯小球；
第3步、镀保护层
在第2步处理后的硅片表面镀一层铬膜，作为保护层；
第4步、去除聚苯乙烯小球
将镀保护层的硅片放入甲苯中，完全去除镀保护层的硅片表面的聚苯乙烯小球，然后使用去离子水清洗干净，然后烘干；
第5步、镀催化剂层
在硅片表面镀一层金膜或者银膜，作为催化剂层；
第6步、湿法刻蚀
在催化剂层的催化作用下，对镀催化剂层的硅片进行湿法刻蚀，得到带纳米级孔的硅模具，刻蚀深度为聚苯乙烯小球直径的2～5倍；
湿法刻蚀所用的溶液为氢氟酸和双氧水的混合溶液，溶液中氢氟酸的浓度为3-6mol/L，双氧水的浓度为0.3-2mol/L；
第7步、旋涂光刻胶并光刻显影
在第6步中得到的带纳米孔硅模具上旋涂光刻胶，使用孔阵列掩模板进行光刻并显影，制作微米级的光刻胶孔结构，得到跨尺度的分级孔结构的复合模具；掩模板上孔径为1um～30um，光刻胶厚度为掩模板孔径的2～10倍；
第8步、铸模并脱模
将聚二甲基硅氧烷PDMS倒在复合模具上，烘烤后从复合模具上剥离，得到微纳分层的仿壁虎脚结构材料。
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