CN104555900A - 微纳复合结构模板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微纳复合结构模板及其制造方法，该方法通过在金属铝上覆盖图形化的光刻胶层，并进行刻蚀，以在铝片上形成预定图案的微米结构，该微米结构为间隔设置微米级凸起和微米级凹陷所构成；然后通过阳极氧化法在微米结构上形成纳米级孔洞阵列；通过电铸，制备出与铝薄片上微纳复合结构互补的具有微纳复合结构的模板；利用所制备的微纳复合结构模板便可以直接进行压印制备微纳复合结构。该方法工艺简便，成本低；在压印工艺中，利用该模板实现微纳复合结构的一步式、低成本制造。
Description
【技术领域】
本发明属于微纳加工技术领域，特别涉及一种微纳复合结构模板及其制造方法。
【背景技术】
微纳复合结构在许多领域具有重要的应用价值，例如具有自清洁功能的超亲水/超疏水结构、可自由行走于墙壁的蜘蛛人手足结构等等。目前，微纳复合结构的制作通常需要分别进行微结构制作和纳结构制作，既两步制作来完成，这不仅增加了制作成本，而且制作过程中还需要保证微、纳结构的高精度对准。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种微纳复合结构模板及其制造方法，该微纳复合结构模板由金属或聚合物材料制成，其工艺简便，成本低；在压印工艺中，利用该模板实现微纳复合结构的一步式、低成本制造。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
微纳复合结构模板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝薄片清洁干净；
(2)在清洁的铝薄片表面涂敷一层光刻胶；
(3)对铝薄片上的光刻胶进行微图形化加工，形成光刻胶的微米图形结构；
(4)以光刻胶微米图形结构为掩膜进行刻蚀，对铝薄片进行图形化加工；
(5)去除铝薄片表面的光刻胶图形化结构层，得到的铝薄片上形成的微米级凸起和凹下结构，制得微图形化的铝薄片；
(6)采用阳极氧化法，将上步得到的微图形化的铝薄片作为阳极，以铜或铂作为阴极，浸没于电解液中，进行电解，在铝薄片的微米级凸起和凹下结构上形成纳米级的孔阵列；
(7)将铝薄片从电解液中取出，清洗干净即得到具有微纳复合结构的铝薄片；
(8)采用电铸法，以步骤(7)中得到的具有微纳复合结构的铝薄片为母板，在金属电解液中进行电铸，形成与铝薄片上微纳复合结构互补的微纳复合结构模板；
(9)去除铝薄片母板，得到微纳复合结构模板，其材质为金属。
优选的，所述微纳复合结构模板的微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列。
优选的，采用浇筑法，将液态的聚合物浇筑于步骤(9)制得的金属材质的微纳复合结构模板上，然后固化聚合物，得到聚合物材料的微纳复合结构模板；该聚合物材料的微纳复合结构模板，其微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米孔阵列。
优选的，步骤(4)中所述刻蚀为湿法刻蚀或者电解刻蚀。
优选的，步骤(6)中电解液为0.3M的草酸，电解电压为40V。
微纳复合结构模板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝薄片清洁干净；
(2)在清洁的铝薄片表面涂敷一层光刻胶；
(3)对铝薄片上的光刻胶进行微图形化加工，形成光刻胶的微米图形结构；
(4)以光刻胶微米图形结构为掩膜进行刻蚀，对铝薄片进行图形化加工；
(5)去除铝薄片表面的光刻胶图形化结构层，得到的铝薄片上形成的微米级凸起和凹下结构，制得微图形化的铝薄片；
(6)采用阳极氧化法，将上步得到的微图形化的铝薄片作为阳极，以铜或铂作为阴极，浸没于电解液中，进行电解，在铝薄片的微米级凸起和凹下结构上形成纳米级的孔阵列；
(7)将铝薄片从电解液中取出，清洗干净即得到具有微纳复合结构的铝薄片；
(8)采用浇筑法，将液态的聚合物浇筑于铝薄片母板表面，然后使聚合物固化；然后去除铝薄片母板，得到聚合物材料的微纳复合结构模板；此聚合物材料的微纳复合结构模板的微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列。
优选的，在微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列的聚合物材料的微纳复合结构模板表面沉积一薄金属层，然后采用电铸法，在电解液中得到金属材料的微纳复合结构模板；该金属材料的微纳复合结构模板的微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米孔阵列。
优选的，步骤(4)中所述刻蚀为湿法刻蚀或者电解刻蚀。
优选的，步骤(6)中电解液为0.3M的草酸，电解电压为40V。
微纳复合结构模板的制备方法所制备的微纳复合结构模板。
本发明提出的微纳复合结构模板，其材料可由金属或聚合物材料制成；其微纳复合结构包括微米和纳米两层结构。其中，微米结构是微米级的凹凸结构；纳米结构是纳米柱阵列或纳米孔阵列两种形式。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供一种微纳复合结构模板及其制造方，该方法通过在金属铝上覆盖图形化的光刻胶层，并进行刻蚀，以在铝片上形成预定图案的微米结构，该微米结构为间隔设置微米级凸起和微米级凹陷所构成；然后通过阳极氧化法在微米结构上形成纳米级孔洞阵列；通过电铸，制备出与铝薄片上微纳复合结构互补的具有微纳复合结构模板；利用所制备的微纳复合结构模板变可以直接进行压印制备微纳复合结构。该方法工艺简便，成本低；在压印工艺中，利用该模板实现微纳复合结构的一步式、低成本制造。
【附图说明】
图1为微纳复合结构模板的结构示意图；其中，图1(a)中微纳复合结构模板的微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米孔阵列；图1(b)中微纳复合结构模板的微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列。
【具体实施方式】
本发明一种微纳复合结构模板的制造方法，包括以下步骤：
(1)采用高纯度的金属铝薄片(如市售的纯度99.9％、厚度0.3mm的铝片)，将其依次分别放入丙酮、乙醇、去离子水(均为市售)等溶液中，通过超声(市售的超声清洗机)的方式对铝薄片进行清洗，每次清洗10min，使铝薄片表面洁净；
(2)采用离心铺胶、喷胶或丝网印刷方法将液态的光刻胶材料(如市售的AZ1500)涂敷到铝薄片表面，并在其表面上均匀分布；
(3)采用光刻或压印工艺，对铝薄片上的光刻胶进行微图形化加工，形成光刻胶的微米图形结构；
(4)以光刻胶微米图形结构为掩膜，利用湿法刻蚀(如稀盐酸或氢氧化钠溶液)或电解刻蚀(阳极氧化刻蚀)对铝薄片进行图形化加工；
(5)去除铝薄片表面的光刻胶图形化结构层(如丙酮溶解光刻胶)，得到的铝薄片上形成的微米级凸起和凹下结构，制得微图形化的铝薄片；
(6)采用阳极氧化法，将上步得到的微图形化的铝薄片作为阳极，以铜或铂等作为阴极，浸没于电解液(如0.3M的草酸)中，利用恒压(如电压40V)或恒流电源进行电解(电解时间长短与需要得到的纳米孔的深度成比例)，在铝薄片上形成纳米级的孔阵列。
(7)将铝薄片从电解液中取出，用去离子水清洗，即得到具有微纳复合结构的铝薄片。
(8)采用电铸法，以步骤(7)中得到的具有微纳复合结构的铝薄片为母板，在金属电解液(如硫酸镍)中利用恒压或恒流电源进行电铸，形成与铝薄片上微纳复合结构互补的具有微纳复合结构模板，其为金属材质(镍)；
(9)利用酸性(如稀盐酸)或碱性(如氢氧化钠)溶液去除铝薄片母板，即得到具有微纳复合结构的金属(镍)模板(图1(b)所示)。此金属模板的微米结构为凹凸结构1，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列2。此具有微纳复合结构的金属模板即可直接用于压印工艺。
如果在步骤(8)中采用浇筑法，即将液态的聚合物(如硅橡胶PDMS)浇筑于铝薄片母板表面，然后使聚合物固化(如烘箱中120℃加热1小时)。再利用酸性(如稀盐酸)或碱性(如氢氧化钠)溶液去除铝薄片母板，则可得到聚合物材料(硅橡胶PDMS)的微纳复合结构模板。此聚合物(PDMS)模板的微米结构为凹凸结构1，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列3。
采用浇筑法，将液态的聚合物(如硅橡胶PDMS)浇筑于步骤(9)制得的具有微纳复合结构的金属模板上，然后固化聚合物，则可以得到聚合物材料(PDMS)的微纳复合结构模板。该微纳复合结构的聚合物(PDMS)模板，其微米结构为凹凸结构1，而纳米结构为凹凸结构上的纳米孔阵列2。
如果在微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列的聚合物材料微纳复合结构模板表面沉积一薄金属层(如5nm的金属Ti)，然后采用电铸法，则可在电解液(如硫酸镍)中得到金属材料(如镍)的微纳复合结构模板。该此金属(镍)模板的微米结构为凹凸结构1，而纳米结构为凹凸结构上的纳米孔阵列3。
其中的步骤(3)，为了实现在铝Al薄片表面光刻胶的微图形化，光刻工艺需要具有微米特征图形的掩膜板；压印工艺需要采用具有微米特征图形的压印模具。
Claims (10)
1.微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铝薄片清洁干净；
(2)在清洁的铝薄片表面涂敷一层光刻胶；
(3)对铝薄片上的光刻胶进行微图形化加工，形成光刻胶的微米图形结构；
(4)以光刻胶微米图形结构为掩膜进行刻蚀，对铝薄片进行图形化加工；
(5)去除铝薄片表面的光刻胶图形化结构层，得到的铝薄片上形成的微米级凸起和凹下结构，制得微图形化的铝薄片；
(6)采用阳极氧化法，将上步得到的微图形化的铝薄片作为阳极，以铜或铂作为阴极，浸没于电解液中，进行电解，在铝薄片的微米级凸起和凹下结构上形成纳米级的孔阵列；
(7)将铝薄片从电解液中取出，清洗干净即得到具有微纳复合结构的铝薄片；
(8)采用电铸法，以步骤(7)中得到的具有微纳复合结构的铝薄片为母板，在金属电解液中进行电铸，形成与铝薄片上微纳复合结构互补的微纳复合结构模板；
(9)去除铝薄片母板，得到微纳复合结构模板，其材质为金属。
2.根据权利要求1所述的微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，所述微纳复合结构模板的微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列。
3.根据权利要求1所述的微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，采用浇筑法，将液态的聚合物浇筑于步骤(9)制得的金属材质的微纳复合结构模板上，然后固化聚合物，得到聚合物材料的微纳复合结构模板；该聚合物材料的微纳复合结构模板，其微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米孔阵列。
4.根据权利要求1所述的微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述刻蚀为湿法刻蚀或者电解刻蚀。
5.根据权利要求1所述的微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，步骤(6)中电解液为0.3M的草酸，电解电压为40V。
6.微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铝薄片清洁干净；
(2)在清洁的铝薄片表面涂敷一层光刻胶；
(3)对铝薄片上的光刻胶进行微图形化加工，形成光刻胶的微米图形结构；
(4)以光刻胶微米图形结构为掩膜进行刻蚀，对铝薄片进行图形化加工；
(5)去除铝薄片表面的光刻胶图形化结构层，得到的铝薄片上形成的微米级凸起和凹下结构，制得微图形化的铝薄片；
(6)采用阳极氧化法，将上步得到的微图形化的铝薄片作为阳极，以铜或铂作为阴极，浸没于电解液中，进行电解，在铝薄片的微米级凸起和凹下结构上形成纳米级的孔阵列；
(7)将铝薄片从电解液中取出，清洗干净即得到具有微纳复合结构的铝薄片；
(8)采用浇筑法，将液态的聚合物浇筑于铝薄片母板表面，然后使聚合物固化；然后去除铝薄片母板，得到聚合物材料的微纳复合结构模板；此聚合物材料的微纳复合结构模板的微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列。
7.根据权利要求6所述的微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，在微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米柱阵列的聚合物材料的微纳复合结构模板表面沉积一薄金属层，然后采用电铸法，在电解液中得到金属材料的微纳复合结构模板；该金属材料的微纳复合结构模板的微米结构为凹凸结构，而纳米结构为凹凸结构上的纳米孔阵列。
8.根据权利要求6所述的微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述刻蚀为湿法刻蚀或者电解刻蚀。
9.根据权利要求6所述的微纳复合结构模板的制备方法，其特征在于，步骤(6)中电解液为0.3M的草酸，电解电压为40V。
10.权利要求1至9中任一项所述的微纳复合结构模板的制备方法所制备的微纳复合结构模板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150429 |