CN106744668A - 双层异质结构模具、制造方法及其在制备微纳米材料的应用 - Google Patents

Abstract

双层异质结构模具、制造方法及其在制备微纳米材料的应用，所述的模具包括硅衬板，所述的硅衬板的上表层沿硅衬板轴向分布多列微米级凹槽组，每列凹槽组包括若干等距排列的微米凹槽，相邻两列凹槽组轴向间距梯度渐增；整个硅衬板上表面分布纳米级孔，微米凹槽以及分布在微米凹槽表面的纳米级孔形成二级结构；所述的制造方法：采用化学方法刻蚀出特定的内凹正四棱台微米结构，利用多孔AAO膜在硅基底上间接产生均匀有序的内凹半球纳米结构。本发明的有益效果是：直接制造内凹正四棱台，制备简单、直接；纳米结构均匀、尺寸小和精度高；在模具上注入PDMS，通过简单处理即可得到特定的滴状冷凝且自集水微纳米材料，易于进行大规模生产；重复使用率高。

Description

双层异质结构模具、制造方法及其在制备微纳米材料的应用

技术领域

本发明涉及一种双层异质结构模具、制造方法及其在制备微纳米材料的应用，属于模具领域。

背景技术

自从德国人Gleiter在1984年成功制备出纳米级别的金属晶体钯、铜、铁等以来，同时由于纳米材料其本身具有表面效应、体积效应和量子尺寸效应等，表现出众多独特的物理化学性质，其在材料领域的研究渐渐成为一个热点。科学家们逐渐发现纳米材料因其结构上的特性使其在医学、催化、光吸收、磁介质、水体处理及新材料等方面具有广阔的应用前景。现有的制备微纳米材料的方法主要可以分为两大类：化学方法和物理方法。具体来说主要有模板合成法、液相沉淀法、气相沉积法、高能球磨法及水热法等方法。其中模板合成法因具有大量其他方法所不具有的优点而被广泛运用。模板法通常被用来制备具有特殊形状的微纳米材料，如微纳米丝、微纳米管和微纳米线等。

目前利用微纳米材料表面特性，通过设计微纳二级结构的几何参数，使微米结构和纳米结构的浸润性呈梯度变化，达到制作一种能滴状冷凝且自集水的微纳结构表面的目的。但现有的制备较复杂且该技术几乎都是实验室级别的合成技术，在工业生产中大批量生产制造很难实现。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种制造简单、实现工业生产的双层异质结构模具、制造方法及其在制备微纳米材料的应用。

本发明所述的一种双层异质结构模具，包括硅衬板，其特征在于：所述的硅衬板的上表层沿硅衬板轴向分布多列微米级凹槽组，并且每列所述的凹槽组包括若干等距排列的微米凹槽，相邻两列凹槽组轴向间距梯度渐增；整个所述的硅衬板上表面分布均匀的纳米级孔，所述的微米凹槽以及分布在微米凹槽表面的纳米级孔形成二级结构。

所述微米凹槽为内凹倒正四棱台。

所述微米凹槽的倒四棱台边长为10～100微米。

所述纳米级孔为内凹半球形结构。

所述纳米级孔的半球直径为50～100纳米。

根据本发明所述的一种双层异质结构模具的制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：

a)将硅片抛光、清洗后，作为硅衬板，在通入氧气和氮气、900～1100℃条件下，在其一面热氧化淀积一层SiO₂，获得一面带有SiO₂层的硅衬板，记为硅衬板A；

b)在硅衬板A的SiO₂层表面涂覆一层光刻胶作掩膜，并在光刻胶层开设窗口，然后浸入BOE溶液中，室温放置至窗口处暴露出硅衬板为止，取出清洗，去除光刻胶，清洗、烘干，获得SiO₂层带有腐蚀凹槽的硅衬板，记为硅衬板B；

c)向硅衬板B腐蚀凹槽中加入浓度为35～40％的KOH水溶液，在80～100℃对硅衬板B进行60～80min的湿法刻蚀，形成微米凹槽，清洗、烘干，获得带有SiO₂层及微米凹槽的硅衬板，记为硅衬板C；

d)将硅衬板C浸入BOE溶液中，室温放置至去除SiO₂层，清洗、烘干，获得带微米凹槽的硅衬板，记为硅衬板D；

e)以Al为靶材料，以硅衬板D为电极，在0.1～1Pa，在氦气惰性气体的条件下，溅射30min，在硅衬板D带微米凹槽面溅射一层Al膜，获得带Al膜的硅衬板，记为硅衬板E；

f)将硅衬板E浸入0.3mol/L磷酸水溶液的电解质中，在0℃左右，偏置电压190V条件下，以两步阳极氧化法将硅衬板E的Al膜氧化成孔间距350～500nm，孔径50～100nm的多孔状均匀有序的AAO膜(AAO膜的最终厚度取决于上述Al膜的厚度，在这里没有特殊要求)，获得表面带AAO势垒层的硅衬板，记为硅衬板F；所述AAO膜为Al₂O₃膜；

g)将硅衬板F再次浸入0.3mol/L磷酸水溶液的电解液中，继续氧化，当电路电流发生3～4次突变时，停止电解，此时电解液穿过多孔AAO膜对硅衬板表面形成SiO₂球，获得带SiO₂球的硅衬板，记为硅衬板H，根据硅原子数守恒和单位体积摩尔数，表明每生成一份厚度的SiO₂，需要消耗0.46份厚度的Si，即生成一个SiO₂球，其中SiO₂球一半凸出在外，另一半镶嵌在最终成型的硅衬板H中；

h)将将硅衬板H浸入质量分数是6％的磷酸和1.5％的铬酸混合溶液中，室温静置30min以上去除AAO膜，获得带SiO₂岛的硅衬板，记为硅衬板I；

i)再将硅衬板I浸入BOE溶液中，室温静置去除SiO₂岛，形成内凹的纳米孔，从而获得微纳二级结构模具。

所述的BOE溶液由浓度49％的HF水溶液和浓度40％的NH₄F水溶液按体积比1：6混合而成。

所述的掩膜上的腐蚀窗口沿掩膜轴向列状排布，并且同一列腐蚀窗口等距排列，相邻两列腐蚀窗口轴向间距梯度渐增。

步骤a)所述的SiO₂层厚度为1～2μm，优选为1μm。

步骤e)所述的Al膜厚度为4～6μm，优选为4μm。

本发明所述的微纳二级结构模具在制备微纳米材料的应用，其特征在于：所述的应用包括以下步骤：

1)将模具浸泡在氟硅烷溶液的硅烷化试剂中，在室温下浸泡2h以上，对其表面进行硅烷化疏水处理，然后清洗、烘干，得到疏水化处理的模具，备用；

2)将PDMS基料和PDMS固化剂以9:1～10:1的质量比配置PDMS预聚物，充分混合之后，按PDMS预聚物和OS-20硅油2:1～3:1的质量比加入硅油，再次充分混合，得到浇筑液；

3)将配置好的浇筑液浇注在疏水化处理后的模具的带微纳米凹槽的表面，在0.01～0.03MPa条件下维持20～30min后逐渐放气，而后在70～90℃固化60～120min，得到固化的PDMS；

4)用镊子将固化的PDMS从模具上小心去下，得到具有微米正四棱台凸起和纳米半球凸起的PDMS微纳米材料。

PDMS微纳米材料可以作为冷凝表面，能实现蒸汽的滴状冷凝且自集水。

本发明中可以通过对US-8光刻胶掩膜板的调整来控制微米凹槽的间距变化，从而控制由由模具制得的微纳米材料的自集水特性；通过在两步阳极氧化法制AAO膜中对环境温度和偏置电压的调整来控制纳米孔大小，从而控制由模具制得的微纳米材料的滴状冷凝特性。

本发明的有益效果是：(1)利用KOH刻蚀(100)硅片表面生成54.74°斜面的特性直接制造内凹正四棱台，制备简单、直接。(2)通过AAO膜制得的内凹SiO₂半岛纳米结构具有均匀、尺寸小和精度高等特点。(3)在模具上注入PDMS，通过简单处理即可得到特定的自集水微纳米材料，易于进行大规模生产。(4)得益于硅的特性，模具的重复使用率高。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明的硅衬板A的剖面示意图。

图3是本发明的硅衬板C的剖面示意图。

图4是本发明的硅衬板D的剖面示意图。

图5是本发明的硅衬板H的剖面示意图。

图6是本发明剖面示意图。

图7是本发明模具应用的剖面示意图。

图8是本发明模具制得的微纳米材料剖面示意图。

图1～图8中：1—模具的硅衬底、2—微米凹槽、3—纳米级孔、4—硅片、5—SiO₂层、6—硅衬板C、7—Al膜、8—AAO膜、9—SiO₂球、10—PDMS微纳米材料。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的微纳二级结构模具，包括硅衬板1，所述的硅衬板1的上表层沿硅衬板轴向分布多列微米级凹槽组，并且每列所述的凹槽组包括若干等距排列的微米凹槽2，相邻两列凹槽组轴向间距梯度渐增；整个所述的硅衬板1上表面分布纳米级孔3，所述的微米凹槽2以及分布在微米凹槽2表面的纳米级孔3形成二级结构。

所述微米凹槽2为内凹倒四棱台。

所述微米凹槽2的倒四棱台边长为100微米。

所述纳米级孔3为内凹半球形结构。

所述纳米级孔3的半球直径为200纳米。

实施例2

根据实施例1所述的微纳二级结构模具的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：

a)将硅片4抛光、清洗后，作为硅衬板，将硅衬板其中一面选为正面朝上放入干氧氧化反应炉内中，在反应炉通入纯氧气，并1000℃的温度，在硅片4正面热氧化淀积一层SiO₂，获得正面带有一层1μm厚SiO₂层5的硅衬板，记为硅衬板A；

b)在硅衬板A的SiO₂层5表面涂覆一层SU-8光刻胶作掩膜，并在光刻胶层开设窗口，然后浸入BOE溶液中，室温放置至窗口处腐蚀暴露出硅片4为止，取出清洗，去除光刻胶，清洗、烘干，获得SiO₂层带有腐蚀凹槽的硅片4，记为硅衬板B；所述的BOE溶液为体积比1：6的HF水溶液和NH₄F水溶液混合而成的溶液；

c)向硅衬板B腐蚀凹槽中加入浓度为35％的KOH水溶液，在80℃对硅衬板B表面进行各向异性刻蚀形成的刻蚀面与硅表面呈54.74°，湿法刻蚀80min后清洗、烘干，获得带有SiO₂层及微米凹槽2的硅衬板，记为硅衬板C 6；

d)将硅衬板C 6浸入BOE溶液中，室温放置至去除SiO₂层，清洗、烘干，获得带微米凹槽2的硅衬板，记为硅衬板D；

e)以Al为靶材料，以硅衬板D为电极，在0.5Pa，通入惰性气体氦的条件下，此时惰性气体等离子化在真空腔内形成等离子体，离子在电场中加速并以很高的能量撞击靶材料，将靶材料表面离子获得能量并脱离沉积在硅衬板D表面，溅射30min，在硅衬板D带微米凹槽2面溅射一层Al膜7，获得带4μm厚Al膜7的硅衬板，记为硅衬板E；

f)将硅衬板E浸入0.3mol/L磷酸水溶液的电解质中，在0℃左右，偏置电压190V条件下，以两步阳极氧化法将硅衬板E的Al膜7氧化成孔间距450nm，孔径85nm的多孔状均匀有序的AAO膜8(AAO膜8的最终厚度取决于上述Al膜7的厚度，在这里没有特殊要求)，获得表面带AAO势垒层的硅衬板，记为硅衬板F；所述AAO膜8为Al₂O₃膜；

g)将硅衬板F再次浸入0.3mol/L磷酸水溶液的电解液中，继续氧化，当电路电流发生4次突变时，停止电解，此时电解液穿过多孔AAO膜8对硅衬板表面形成SiO₂球9，获得带SiO₂球9的硅衬板，记为硅衬板H，其中SiO₂球9一半凸出在外，另一半镶嵌在最终成型的硅衬板H中；

h)将硅衬板H浸入质量分数是6％的磷酸和1.5％的铬酸混合溶液中，室温静置30min以上去除AAO膜，获得带SiO₂球9的硅衬板，记为硅衬板I；

i)再将硅衬板I浸入BOE溶液中，室温静置去除SiO₂球9，形成内凹的纳米级孔3，从而获得微纳二级结构模具。

两步阳极氧化法为：将附有硅衬板E浸入具有一定温度和偏置电压的草酸溶液中进行硬质阳极氧化，得到一次氧化生成的带多孔阳极AAO膜的一次氧化硅衬板，接着将一次氧化硅衬板浸入一定配比的磷酸和铬酸混合溶液中浸泡除去一次氧化生成的AAO膜，在一次氧化的凹坑基础上再次进行二次氧化，条件与第一次氧化相同，用两步阳极氧化法得到多孔状均匀有序的AAO膜8。

所述的掩膜上的腐蚀窗口沿掩膜轴向列状排布，并且同一列腐蚀窗口等距排列，相邻两列腐蚀窗口轴向间距梯度渐增。

实施例3

实施例1所述的微纳二级结构模具在制备微纳米材料的应用，其特征在于：所述的应用按照以下方法进行(以PDMS为例)：

1)将模具浸泡在氟硅烷溶液的硅烷化试剂中，在室温下浸泡2h以上，对其表面进行硅烷化疏水处理，然后清洗、烘干，得到疏水化处理的模具，备用；

2)将PDMS基料和PDMS固化剂以9:1～10:1的质量比配置PDMS预聚物，充分混合之后，按PDMS预聚物和OS-20硅油2:1～3:1的质量比加入硅油，再次充分混合，得到浇筑液；

3)将配置好的浇筑液浇注在疏水化处理后的模具的带微纳米凹槽的表面，在0.02MPa条件下维持20min后逐渐放气，而后在70℃固化100min，得到固化的PDMS；

4)用镊子将固化的PDMS从模具上小心去下，得到具有微米正四棱台和纳米半球的PDMS微纳米材料10。

本发明中OS-20硅油主要成分是挥发性甲基硅氧烷VMS,与PDMS成分不同。加入OS-20硅油降低PDMS粘度，提高纳米级特征的有效转移率。本发明采用的PDMS和PDMS固化剂为美国道康宁公司生产的产品，批号0008255501。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.双层异质结构模具，包括硅衬板，其特征在于：所述的硅衬板的上表层沿硅衬板轴向分布多列微米级凹槽组，并且每列所述的凹槽组包括若干等距排列的微米凹槽，相邻两列凹槽组轴向间距梯度渐增，凹槽组内微米凹槽间距的随凹槽组之间的间距增大而增大；整个所述的硅衬板上表面分布纳米级孔，所述的微米凹槽以及分布在微米凹槽表面的纳米级孔形成二级结构。

2.如权利要求1所述的双层异质结构模具，其特征在于：所述微米凹槽为内凹倒正四棱台。

3.根据权利要求2所述的双层异质结构模具，其特征在于：所述微米凹槽的倒四棱台边长为10～100微米。

4.根据权利要求1所述的双层异质结构模具，其特征在于：所述纳米级孔为内凹半球形结构。

5.根据权利要求4所述的双层异质结构模具，其特征在于：所述纳米级孔的半球直径为50～100纳米。

6.根据权利要求1～5任意一项权利要求所述的双层异质结构模具的制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：

a)将硅片抛光、清洗后，作为硅衬板，在通入氧气和氮气、900～1100℃条件下，在其一面热氧化淀积一层SiO₂，获得一面带有SiO₂层的硅衬板，记为硅衬板A；

b)在硅衬板A的SiO₂层表面涂覆一层光刻胶作掩膜，并在光刻胶层开设窗口，然后浸入体积比1：6的HF水溶液和NH₄F水溶液混合而成的BOE溶液中，室温放置至窗口处暴露出硅衬板为止，取出清洗，去除光刻胶，清洗、烘干，获得SiO₂层带有腐蚀凹槽的硅衬板，记为硅衬板B；

c)向硅衬板B腐蚀凹槽中加入浓度为35～40％的KOH水溶液，在80～100℃对硅衬板B进行60～80min的湿法刻蚀，形成微米凹槽，清洗、烘干，获得带有SiO₂层及微米凹槽的硅衬板，记为硅衬板C；

d)将硅衬板C浸入BOE溶液中，室温放置至去除SiO₂层，清洗、烘干，获得带微米凹槽的硅衬板，记为硅衬板D；

e)以Al为靶材料，以硅衬板D为电极，在0.1～1Pa，同惰性气体的条件下，控制溅射时间，在硅衬板D带微米凹槽面溅射一层Al膜，获得带Al膜的硅衬板，记为硅衬板E；

f)将硅衬板E浸入0.3mol/L磷酸水溶液的电解质中，在0℃、偏置电压190V条件下，以两步阳极氧化法将硅衬板E的Al膜氧化成孔间距350～500nm，孔径50～100nm的多孔状均匀有序的AAO膜，获得表面带AAO势垒层的硅衬板，记为硅衬板F；所述AAO膜为Al₂O₃膜；

g)将硅衬板F再次浸入0.3mol/L磷酸水溶液的电解液中，继续氧化，当电路电流发生3～4次突变时，停止电解，此时电解液穿过多孔AAO膜对硅衬板表面形成SiO₂球，获得带SiO₂球的硅衬板，记为硅衬板H；

h)将硅衬板H浸入质量分数是6％的磷酸和1.5％的铬酸混合溶液中，室温静置30min以上去除AAO膜，获得带SiO₂岛的硅衬板，记为硅衬板I；

i)再将硅衬板I浸入BOE溶液中，室温静置去除SiO₂岛，形成内凹的纳米孔，制成既具微米凹槽又有纳米孔的二级结构模具。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述的掩膜上的腐蚀窗口沿掩膜轴向列状排布，并且同一列腐蚀窗口等距排列，相邻两列腐蚀窗口轴向间距梯度渐增。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：步骤a)所述的SiO₂层厚度为1～2μm。

9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：步骤e)所述的Al膜厚度为4～6μm。

10.权利要求1～5任意一项权利要求所述的双层异质结构模具在制备微纳米材料的应用，其特征在于：所述的应用包括以下步骤：

1)将模具浸泡在氟硅烷溶液的硅烷化试剂中，在室温下浸泡2h以上，对其表面进行硅烷化疏水处理，然后清洗、烘干，得到疏水化处理的模具，备用；

2)将PDMS基料和PDMS固化剂以9:1～10:1的质量比配置PDMS预聚物，充分混合之后，按PDMS预聚物和OS-20硅油2:1～3:1的质量比加入硅油，再次充分混合，得到浇筑液；

3)将配置好的浇筑液浇注在疏水化处理后的模具的带微纳米凹槽的表面，在0.01～0.03MPa条件下维持20～30min后逐渐放气，而后在70～90℃固化60～120min，得到固化的PDMS；

4)用镊子将固化的PDMS从模具上小心去下，得到具有微米正四棱台凸起和纳米半球凸起的PDMS微纳米材料。