CN105129723A - 一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法 - Google Patents
一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法，该方法通过光刻法得到微米结构，通过阳极氧化法生长纳米结构，形成微纳复合结构。本方法采用光刻、腐蚀和阳极氧化的方式，使得微米结构的制备和纳米结构的制备均达到可控；获得的微纳复合结构具有高亲水性，在使用此种结构作为微通道的底面时可有效降低通道对于溶液的阻力。本方法制备的微纳结构，整个结构面积可以按照需要做到分米级、甚至更大，实现大面积制备。该制备方法成本较为低廉，可以获得形貌可控的微纳复合结构，同时该制备方法同微电子工艺相兼容，结合阳极氧化技术，完成了一种对于微纳复合结构制备的新方法。
Description
技术领域
本发明属于表面纳米材料技术领域，具体涉及一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法。
背景技术
人们在观察自然界生物的过程中，发现了荷叶、水稻叶、蝴蝶翅膀等生物结构独特的超疏水自清洁作用，通过扫描电镜观察表面，发现了这种超疏水自清洁能力主要是由于其表面的特殊结构和含低表面能的化学物质所决定的，具体机理是由于它们的表层细胞具有微纳尺度的乳突结构，并在表面覆盖了一层疏水的生物蜡。为此，可以使用人工控制技术，通过在基底表面构建出特有的微纳复合结构，并使用一定低表面化学能物质即可制备出具有疏水性及自清洁作用的类荷叶表面的仿生结构表面。
超疏水材料在在国防，国防、工业、农业、医学和日常生活中均有广阔的应用前景，此外，作为一种典型的界面现象，表面浸润性的研究又处于界面化学、物理学、材料学、生物学等方面具有极高的研究和探索价值。
目前制备无机物疏水层的技术主要有溶胶凝胶，水浴水热法，逐层吸附，电化学沉积等方法，然而，上述方法虽然成本低廉，但是获得的微纳复合结构形貌可控性太差，工艺及微纳结构尺寸稳定性较难控制。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法，使得微纳复合结构的制备过程可控，并且能够制备出大面积稳定存在的多孔微纳复合结构。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法，该方法通过光刻法得到微米结构，通过阳极氧化法生长纳米结构，形成多孔微纳复合结构。
本发明还具有如下区别技术特征：
所述的微纳复合结构以铝片作为基体。
所述的形成多孔微纳复合结构时，通过先光刻再阳极氧化的方式在微米结构上生长纳米结构；或者通过先光刻再腐蚀，最后阳极氧化的方式在微米结构上生长纳米结构；或者通过先阳极氧化，再光刻，最后腐蚀的方式在纳米结构上形成微米结构。
所述的腐蚀用的腐蚀液为浓度为5wt％的NaOH溶液。
所述的光刻完成后，光刻胶脱模清洗时，使用光刻胶去膜剂，在80℃，超声处理15min；然后用去离子水冲洗后，采用丙酮常温超声处理10min，去除光刻胶去膜剂，乙醇清洗，再用去离子水常温超声处理10min。
所述的阳极氧化过程如下所述：
步骤S1，5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液进行第一次阳极氧化，持续时间30min；
步骤S2，60℃下使用除膜液进行除膜，持续时间10min；
步骤S3，5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液进行第二次阳极氧化，持续时间2～3h；
步骤S4，扩孔，持续时间30min。
所述的除膜液为磷酸与铬酸的混合液，其中磷酸的浓度为6wt％，铬酸的浓度为1.8wt％。
所述的扩孔采用浓度为10wt％的磷酸溶液。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本方法采用光刻、腐蚀和阳极氧化的方式，使得微米结构的制备和纳米结构的制备均达到可控；获得的微纳复合结构具有高亲水性，在使用此种结构作为微通道的底面时可有效降低通道对于溶液的阻力。本方法制备的微纳结构，整个结构面积可以按照需要做到分米级、甚至更大，实现大面积制备。该制备方法成本较为低廉，可以获得形貌可控的微纳复合结构，同时该制备方法同微电子工艺相兼容，结合阳极氧化技术，完成了一种对于微纳复合结构制备的新方法。
附图说明
图1为微米结构俯视图。
图2为实例1中微纳复合结构的剖面图。
图3为实例2中微纳复合结构的剖面图。
图4为实例3中微纳复合结构的剖面图。
图5为a＝10μm时的放大倍数为1.10K的SEM图。
图6为a＝10μm时的放大倍数为60.0K的SEM图。
图7为微纳复合结构的接触角测试图。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例给出一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法，按照以下步骤进行：
步骤一：制作掩膜版：
通过掩膜版的设计使得微阵列的结构参数分别为a＝5μm，a＝10μm，a＝15μm，a＝20μm。
步骤二：光刻：
通过匀胶、前烘、曝光、显影、后烘等工艺进行光刻，将掩膜版的图形复制到高纯抛光铝表面的光刻胶上，如图1所示。
光刻胶型号为SU8-1070光刻胶，并进行稀释(SU8:稀释剂＝1:3)。匀胶条件为：低速600r/s持续10s，高速4000r/s持续30s；前烘条件为：热板85℃，烘25～30min；曝光：曝光机功率11.5～12.5mw/cm2；曝光时间，10s；显影：显影时间，60s；漂洗：漂洗时间，60s；坚膜：85℃烘15min。
光刻胶型号也可以选择其他型号的光刻胶，如BN303光刻胶。前烘条件为：热板85℃，热板烘3min；曝光：曝光机功率11.5～12.5mw/cm2；曝光时间，1s；显影：显影时间，60s；漂洗：漂洗时间，60s；坚膜：135℃烘15min。
步骤三，腐蚀：
用浓度为5wt％的NaOH溶液进行湿法腐蚀，或采用干法刻蚀，即，反应离子束刻蚀RIE、感应耦合等离子体刻蚀ICP等方法，腐蚀深度为h，得到微米结构。
步骤四，光刻胶脱模清洗：
步骤4.1，使用光刻胶去膜剂，在80℃，超声处理15min；
步骤4.2，用去离子水冲洗后，采用丙酮常温超声处理10min，去除光刻胶去膜剂，乙醇清洗，再用去离子水常温超声处理10min。
步骤五，阳极氧化：
步骤5.1，低温恒温槽5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液对具有微米结构的铝片进行第一次阳极氧化，配合磁力搅拌，持续时间30min；
步骤5.2，60℃下使用除膜液进行除膜，持续时间10min；除膜液为磷酸与铬酸的混合液，其中磷酸的浓度为6wt％，铬酸的浓度为1.8wt％。
步骤5.3，低温恒温槽5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液对铝片进行第二次阳极氧化，配合磁力搅拌，持续时间2～3h；
步骤5.4，室温下浸没进浓度为10wt％的磷酸溶液中进行扩孔，持续时间30min；用去离子水冲洗多次，80℃烘干，得到基于铝片的微纳复合结构，结构剖面图如图2所示。不同放大倍数下的SEM图如图5和图6所示，从图中可以明显看出本申请的微纳复合结构为孔状。图7为微纳复合结构的接触角测试图，从图7中可以看出，本实施例制备出的微纳复合结构为亲水材料。
实施例2：
本实施例给出一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法，按照以下步骤进行：
步骤一：制作掩膜版：
通过掩膜版的设计使得微阵列的结构参数分别为a＝5μm，a＝10μm，a＝15μm，a＝20μm。
步骤二：光刻：
通过匀胶、前烘、曝光、显影、后烘等工艺进行光刻，将掩膜版的图形复制到高纯抛光铝表面的光刻胶上，如图1所示。
光刻胶型号为SU8-1070光刻胶，并进行稀释(SU8:稀释剂＝1:3)。匀胶条件为：低速600r/s持续10s，高速4000r/s持续30s；前烘条件为：热板85℃，烘25～30min；曝光：曝光机功率11.5～12.5mw/cm2；曝光时间，10s；显影：显影时间，60s；漂洗：漂洗时间，60s；坚膜：85℃烘15min。
光刻胶型号也可以选择其他型号的光刻胶，如BN303光刻胶。前烘条件为：热板85℃，热板烘3min；曝光：曝光机功率11.5～12.5mw/cm2；曝光时间，1s；显影：显影时间，60s；漂洗：漂洗时间，60s；坚膜：135℃烘15min。
步骤三，腐蚀：
本实施例不进行腐蚀工艺。
步骤四，阳极氧化：
步骤4.1，低温恒温槽5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液对具有微米结构的铝片进行第一次阳极氧化，配合磁力搅拌，持续时间30min；
步骤4.2，60℃下使用除膜液进行除膜，持续时间10min；除膜液为磷酸与铬酸的混合液，其中磷酸的浓度为6wt％，铬酸的浓度为1.8wt％。
步骤4.3，低温恒温槽5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液对铝片进行第二次阳极氧化，配合磁力搅拌，持续时间2～3h；
步骤4.4，室温下浸没进浓度为10wt％的磷酸溶液中进行扩孔，持续时间30min；用去离子水冲洗多次，80℃烘干，得到基于铝片的微纳复合结构，结构剖面图如图3所示。
步骤五，光刻胶脱模清洗：
步骤5.1，使用光刻胶去膜剂，在80℃，超声处理15min；
步骤5.2，用去离子水冲洗后采用丙酮，常温超声处理10min，去除光刻胶去膜剂，乙醇清洗，再用去离子水常温超声处理10min。
实施例3：
本实施例给出一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法，按照以下步骤进行：
步骤一，阳极氧化：
步骤1.1，低温恒温槽5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液铝片进行第一次阳极氧化，配合磁力搅拌，持续时间30min；
步骤1.2，60℃下使用除膜液进行除膜，持续时间10min；除膜液为磷酸与铬酸的混合液，其中磷酸的浓度为6wt％，铬酸的浓度为1.8wt％。
步骤1.3，低温恒温槽5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液对铝片进行第二次阳极氧化，配合磁力搅拌，持续时间2～3h；
步骤1.4，室温下浸没进浓度为10wt％的磷酸溶液中进行扩孔，持续时间30min；用去离子水冲洗多次，80℃烘干，得到基于铝片的纳米结构。
步骤二：制作掩膜版：
通过掩膜版的设计使得微阵列的结构参数分别为a＝5μm，a＝10μm，a＝15μm，a＝20μm。
步骤三：光刻：
通过匀胶、前烘、曝光、显影、后烘等工艺进行光刻，将掩膜版的图形复制到高纯抛光铝表面的光刻胶上，如图1所示。
光刻胶型号为SU8-1070光刻胶，并进行稀释(SU8:稀释剂＝1:3)。匀胶条件为：低速600r/s持续10s，高速4000r/s持续30s；前烘条件为：热板85℃，烘25～30min；曝光：曝光机功率11.5～12.5mw/cm2；曝光时间，10s；显影：显影时间，60s；漂洗：漂洗时间，60s；坚膜：85℃烘15min。
光刻胶型号也可以选择其他型号的光刻胶，如BN303光刻胶。前烘条件为：热板85℃，热板烘3min；曝光：曝光机功率11.5～12.5mw/cm2；曝光时间，1s；显影：显影时间，60s；漂洗：漂洗时间，60s；坚膜：135℃烘15min。
步骤四，腐蚀：
用浓度为5wt％的NaOH溶液进行湿法腐蚀，腐蚀深度为h，得到基于铝片的微纳复合结构，结构剖面图如图4所示。
步骤五，光刻胶脱模清洗：
步骤5.1，使用光刻胶去膜剂，在80℃，超声处理15min；
步骤5.2，用去离子水冲洗后采用丙酮，常温超声处理10min，去除光刻胶去膜剂，乙醇清洗，再用去离子水常温超声处理10min。
Claims (8)
1.一种大面积多孔微纳复合结构的可控制备方法，其特征在于：该方法通过光刻法得到微米结构，通过阳极氧化法生长纳米结构，形成多孔微纳复合结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的微纳复合结构以铝片作为基体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的形成多孔微纳复合结构时，通过先光刻再阳极氧化的方式在微米结构上生长纳米结构；或者通过先光刻再腐蚀，最后阳极氧化的方式在微米结构上生长纳米结构；或者通过先阳极氧化，再光刻，最后腐蚀的方式在纳米结构上形成微米结构。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的腐蚀用的腐蚀液为浓度为5wt％的NaOH溶液。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的光刻完成后，光刻胶脱模清洗时，使用光刻胶去膜剂，在80℃，超声处理15min；然后用去离子水冲洗后，采用丙酮常温超声处理10min，去除光刻胶去膜剂，乙醇清洗，再用去离子水常温超声处理10min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的阳极氧化过程如下所述：
步骤S1，5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液进行第一次阳极氧化，持续时间30min；
步骤S2，60℃下使用除膜液进行除膜，持续时间10min；
步骤S3，5℃条件下，外加40V直流稳压电源，利用浓度为0.3mol/L草酸溶液进行第二次阳极氧化，持续时间2～3h；
步骤S4，扩孔，持续时间30min。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的除膜液为磷酸与铬酸的混合液，其中磷酸的浓度为6wt％，铬酸的浓度为1.8wt％。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的扩孔采用浓度为10wt％的磷酸溶液。
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