CN107973268B - 一种纳米及微米孔的加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米及微米孔的加工方法，包括如下步骤：1、清洗基材，并清除其表面脏污；2、旋涂光刻胶，曝光、显影，形成基板；3、在基板表面沉积微纳复合结构金属粒子；微纳复合结构金属粒子以磁性内核为中心，表面镀有由多个纳米金、银或铝粒子组成的纳米金属粒子镀层；4、去除光刻胶，只保留微纳复合结构金属粒子点阵列；5、采用激光照射基板，同时施加均匀强磁场，加工形成加工孔；6、达到目标孔径大小、形状、深度的纳米孔或微米孔后，中止激光照射及移除均匀强磁场，获得成品；本发明提出的加工方法，能够加工孔径在100nm以上及微米级的任意形状的盲孔或通孔，环保且操作简单，且加工的孔径大小、形状和深度均达到可控的效果。

Description

一种纳米及微米孔的加工方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，尤其涉及一种纳米及微米孔的加工方法。
背景技术
随着微纳加工技术的不断提高，使加工结构尺寸更小、精度要求更高的微纳结构得以实现。如用于DNA单分子分析的固态纳米孔就是典型案例之一。与DNA单分子分析工作中常用的生物纳米孔相比，固态纳米孔在化学、热学、力学稳定性等方面具有明显优势，并可通过常规的微纳加工技术制成，这样既可以实现纳米孔的大规模加工，又可以精确控制其孔径。因此，众多研究小组持续关注固态纳米孔的加工过程，并研究生物分子在固态纳米孔中的运动过程。
金纳米粒子或金纳米棒上的载流电子在受到可见光及近红外光照射时会产生连续震荡的现象，导致金纳米粒子或金纳米棒表面形成局部等离子体共振。这种表面局部等离子体共振会以辐射和非辐射的形式逐渐衰退，后者能够加热微小的粒子，并形成热点，最高温度可超过2000℃。这一效应，已经被应用在玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯等材料上加工纳米孔。
但是，仍面临着如下难题：要实现金纳米粒子尽可能高效地吸收光的能量并产生能够消除材料的高温热点，则要求粒子的直径必须远小于光的波长。因此，目前通常是采用直径为10nm～100nm的金纳米粒子进行加工。对应地，导致加工所形成的纳米孔的直径也被严格限制在10nm～100nm。此外，由于加工中金纳米粒子受到基材蒸发的影响，其运动轨迹具有一定的随机性，因此，如何控制加工中的金纳米粒子的运动轨迹进而加工出形状可控的孔极具挑战。综上所述，如何可控地加工100nm以上的纳米孔是当前的一个瓶颈，亟需提出新的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种纳米及微米孔的加工方法，能够加工孔径在100nm以上及微米级的任意形状的盲孔或通孔，环保且操作简单，并且加工的孔径大小、形状和深度均达到可控的效果。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种纳米及微米孔的加工方法，包括如下步骤：
步骤一：用去离子水清洗基材，并用等离子清洗机清除其表面脏污；
步骤二：在基材上旋涂光刻胶，曝光、显影，形成特定的基板；
步骤三：在基板表面沉积微纳复合结构金属粒子；所述微纳复合结构金属粒子以磁性内核为中心，且磁性内核的表面镀有由多个纳米金、银或铝粒子组成的纳米金属粒子镀层；
步骤四：去除光刻胶，只保留沉积在基板表面的微纳复合结构金属粒子点阵列；
步骤五：采用激光对表面有微纳复合结构金属粒子的基板进行照射，同时在反应腔内施加均匀强磁场；由均匀强磁场引导微纳复合结构金属粒子中的磁性内核带动整个微纳复合结构金属粒子在基板中定向移动，对基板进行加工形成加工孔；
步骤六：直至加工孔达到目标孔径大小、形状、深度的纳米孔或微米孔后，中止激光照射及移除均匀强磁场，获得成品。
本发明提出一种纳米及微米孔的加工方法，通过采用激光照射沉积在基板表面的微纳复合结构金属粒子，以使微纳复合结构金属粒子表面的多个纳米金、银或者铝粒子的纳米金属粒子镀层产生表面等离子体共振，从而将激光的能量吸收转化为热能，形成一个小的热点；并且利用微纳复合结构金属粒子以磁性内核为中心在表面将多个纳米金、银或者铝粒子积聚在一起的结构特点，从而能够将单个纳米金粒子形成的小热点组合起来形成一个大的热点，从而使与整个微纳复合结构金属粒子接触的基板均被挥发消除；同时，还通过了附加了均匀强磁场，以用于引导微纳复合结构金属粒子中的磁性内核，从而带动整个微纳复合结构金属粒子在基板中定向移动，从而达到持续不断对基板进行有效可控的加工，直至形成与微纳复合结构金属粒子直径相当的纳米级或微米级盲孔或通孔。
这一方法创新性地克服了激光只能激发直径远小于光波长的金、银或者铝纳米粒子才能产生等离子体共振的这一限制，即通过微纳复合结构金属粒子的内核将多个直径大小仍在100nm以下、能够产生等离子体共振的纳米金粒子积聚在一起，并通过磁场引导微纳复合结构金属粒子的有效运动，从而实现加工100nm以上及微米级的任意形状的盲孔或通孔。本发明无需化学电解液等污染较大的试剂，操作简单，加工的孔径大小、形状和深度均达到可控的效果，在生物检测、微流控器件及电子制造领域具有极大的应用价值。
进一步说明，步骤一中，所述基材为玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的板型材料。
进一步说明，步骤二和步骤三中，根据曝光的图形，控制所述基板表面沉积的微纳复合结构金属粒子的区域。通过控制曝光的图形来控制沉积微纳复合结构金属粒子的区域，从而达到更有效精确地控制加工的纳米孔或微米孔的形状(如圆形、正方形等)，以及孔径大小。
更进一步说明，所述磁性内核为半径50～1000nm的球形铁粒子、铁化合物粒子、镍粒子、镍化合物粒子、钴粒子和钴化合物粒子中的任意一种；所述纳米金属粒子镀层为直径为10～100nm的纳米金粒子或长度为10～50nm、宽度为1～10nm的金纳米棒的复合粒子。在一定半径大小的磁性内核的表面烧结形成一定大小的纳米金属粒子镀层，其结构稳定，而且有效控制整个微纳复合结构金属粒子的直径大小，从而达到更精确地控制加工的孔径大小、形状和深度。
更进一步说明，步骤五中，所述激光的波长为350-2000nm；所述均匀强磁场由永磁磁铁或交变线圈产生。
进一步说明，步骤五中，当加工孔为直孔时，则在反应腔内施加的均匀强磁场与基板表面相垂直。
进一步说明，步骤五中，当加工孔为斜孔时，则在反应腔内施加的均匀强磁场与基板表面成夹角α，α的角度等于斜孔的角度。
进一步说明，步骤五中，当加工孔为轴线与基板表面相互平行的孔通道时，则在反应腔内施加的均匀强磁场与基板表面平行。
进一步说明，步骤五中，当加工孔为弯折的纳米孔通道时，则在反应腔内交替施加方向不同的均匀强磁场。根据不同的加工孔的结构特点，通过调整基本与均匀强磁场的位置关系，从而加工出不同的孔径大小、形状、深度的纳米孔或微米孔，操作可控方便；例如，使用与基板表面垂直的均匀强磁场来加工直孔，使用与基板表面成夹角α的均匀强磁场来加工斜孔，使用与基板表面平行的均匀强磁场来加工轴线与基板表面平行的孔通道；交替施加方向不同的均匀强磁场来加工不同的弯折纳米孔通道。
进一步说明，步骤五中，所述加工孔的加工速度为5～50nm/min。根据加工孔的加工速度为5～50nm/min，计算达到目标孔径大小、形状、深度的纳米孔或微米孔的加工处理时间，及时中止激光照射及移除匀强磁场。
本发明的有益效果：本发明克服了现有激光只能激发直径远小于光波长的金、银或者铝纳米粒子才能产生等离子体共振的限制，通过采用微纳复合结构金属粒子的内核将多个直径大小仍在100nm以下、能够产生等离子体共振的纳米金粒子积聚在一起，并通过磁场引导微纳复合结构金属粒子的有效运动，从而实现加工100nm以上及微米级的任意形状的盲孔或通孔，并且无需化学电解液等污染较大的试剂，环保且操作简单，加工的孔径大小、形状和深度均达到可控的效果，在生物检测、微流控器件及电子制造领域具有极大的应用价值。
附图说明
图1是本发明一个实施例的清洗后的基板旋涂光刻胶，曝光、显影，沉积微纳复合结构金属粒子和清除光刻胶的流程示意图；
图2是本发明一个实施例的激光照射、均匀强磁场辅助加工直孔过程示意图；
图3是本发明一个实施例的加工直孔过程示意图；
图4是本发明一个实施例的激光照射、均匀强磁场辅助加工斜孔过程示意图；
图5是本发明一个实施例的加工斜孔过程示意图；
图6是本发明一个实施例的激光照射、均匀强磁场辅助加工孔及弯折孔通道过程示意图；
其中：101清洗后的基板，102旋涂光刻胶后的基板，103曝光、显影后的基板，104沉积微纳复合结构金属粒子后的基板，106微纳复合结构金属粒子，301激光，302均匀强磁场，303表面沉积有微纳复合结构金属粒子的基板，401激光，402均匀强磁场，404基板，501激光，502与基板表面成夹角α的均匀强磁场，503表面沉积有微纳复合结构金属粒子的基板，601激光，602与基板表面成夹角α的均匀强磁场，604基板，701激光，702与基板表面垂直的均匀强磁场，704基板，705与基板表面平行的均匀强磁场。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一：
步骤一：用去离子水清洗基材101，并用等离子清洗机清除其表面脏污；所述基材101为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的板型材料；
步骤二：如图1所示，在基材101上旋涂光刻胶102，曝光、显影，形成特定的印刷有目标图形的基板103；
步骤三：在基板表面沉积微纳复合结构金属粒子106，即根据曝光的图形，控制所述基板表面沉积的微纳复合结构金属粒子106的区域，进而控制纳米孔或微米孔的形状(如圆形、正方形等)和孔径；所述微纳复合结构金属粒子106以磁性内核为中心，且磁性内核的表面镀有由多个纳米金、银或铝粒子组成的纳米金属粒子镀层；所述磁性内核为半径50nm的球形铁粒子、铁化合物粒子、镍粒子、镍化合物粒子、钴粒子和钴化合物粒子中的任意一种；所述纳米金属粒子镀层为直径为10nm的纳米金粒子或长度为10nm、宽度为1nm的金纳米棒的复合粒子，如图2所示；
步骤四：去除光刻胶，只保留沉积在基板表面的微纳复合结构金属粒子点阵列，得到沉积微纳复合结构金属粒子的基板104；
步骤五：采用激光301对表面有微纳复合结构金属粒子的基板303进行照射，激光的波长为350-2000nm，同时在反应腔内施加与基板表面相垂直的均匀强磁场302，如图3所示；由均匀强磁场引导微纳复合结构金属粒子中的磁性内核带动整个微纳复合结构金属粒子在基板中定向移动，对基板进行加工形成加工孔；
步骤六：根据加工孔的加工速度为5～50nm/min计算处理时间，直至在基板404上得到目标孔径大小、形状、深度的纳米直孔后，如图4所示，中止激光401照射及移除均匀强磁场402，获得成品。
实施例二：
步骤一：用去离子水清洗基材101，并用等离子清洗机清除其表面脏污；所述基材101为玻璃板型材料；
步骤二：在基材101上旋涂光刻胶102，曝光、显影，形成特定的印刷有目标图形的基板103；
步骤三：在基板表面沉积微纳复合结构金属粒子106，即根据曝光的图形，控制所述基板表面沉积的微纳复合结构金属粒子106的区域，进而控制纳米孔或微米孔的形状(如圆形、正方形等)和孔径；所述微纳复合结构金属粒子106以磁性内核为中心，且磁性内核的表面镀有由多个纳米金、银或铝粒子组成的纳米金属粒子镀层；所述磁性内核为半径1000nm的球形铁粒子、铁化合物粒子、镍粒子、镍化合物粒子、钴粒子和钴化合物粒子中的任意一种；所述纳米金属粒子镀层为直径为100nm的纳米金粒子或长度为50nm、宽度为10nm的金纳米棒的复合粒子；
步骤四：去除光刻胶，只保留沉积在基板表面的微纳复合结构金属粒子点阵列，得到沉积微纳复合结构金属粒子的基板104；
步骤五：采用激光501对表面有微纳复合结构金属粒子的基板503进行照射，激光的波长为350-2000nm，同时在反应腔内施加与基板表面成夹角α的均匀强磁场502，如图5所示；由均匀强磁场引导微纳复合结构金属粒子中的磁性内核带动整个微纳复合结构金属粒子在基板中定向移动，对基板进行加工形成加工孔；
步骤六：根据加工孔的加工速度为5～50nm/min计算处理时间，直至在基板604上得到目标孔径大小、形状、深度，且孔的轴线与基板表面成夹角α的纳米孔后，如图6所示，中止激光601照射及移除均匀强磁场602，获得成品。
实施例三：
步骤一：用去离子水清洗基材101，并用等离子清洗机清除其表面脏污；所述基材101为玻璃板型材料；
步骤二：在基材101上旋涂光刻胶102，曝光、显影，形成特定的印刷有目标图形的基板103；
步骤三：在基板表面沉积微纳复合结构金属粒子106，即根据曝光的图形，控制所述基板表面沉积的微纳复合结构金属粒子106的区域，进而控制纳米孔或微米孔的形状(如圆形、正方形等)和孔径；所述微纳复合结构金属粒子106以磁性内核为中心，且磁性内核的表面镀有由多个纳米金、银或铝粒子组成的纳米金属粒子镀层；所述磁性内核为半径500nm的球形铁粒子、铁化合物粒子、镍粒子、镍化合物粒子、钴粒子和钴化合物粒子中的任意一种；所述纳米金属粒子镀层为直径为50nm的纳米金粒子或长度为25nm、宽度为5nm的金纳米棒的复合粒子；
步骤四：去除光刻胶，只保留沉积在基板表面的微纳复合结构金属粒子点阵列，得到沉积微纳复合结构金属粒子的基板104；
步骤五：采用激光701对表面有微纳复合结构金属粒子的基板704进行照射，激光的波长为350-2000nm，同时在反应腔内施加与基板表面相垂直的均匀强磁场702；由均匀强磁场引导微纳复合结构金属粒子中的磁性内核带动整个微纳复合结构金属粒子在基板中定向移动，对基板进行加工形成加工孔；
步骤六：根据加工孔的加工速度为5～50nm/min计算处理时间，直至在基板上得到目标孔径大小、形状、深度的纳米直孔后，替换施加与基板表面平行的均匀强磁场705，用于驱动微纳复合结构金属粒子沿着与基板表面平行的方向移动，进而加工出与基板表面平行的纳米孔通道；
步骤七：在基板704上得到目标孔径大小、形状、深度的弯折的纳米孔通道后，中止激光701照射及移除均匀强磁场，获得成品。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：用去离子水清洗基材，并用等离子清洗机清除其表面脏污；
步骤二：在基材上旋涂光刻胶，曝光、显影，形成特定的基板；
步骤三：在基板表面沉积微纳复合结构金属粒子；所述微纳复合结构金属粒子以磁性内核为中心，且磁性内核的表面镀有由多个纳米金、银或铝粒子组成的纳米金属粒子镀层；
步骤四：去除光刻胶，只保留沉积在基板表面的微纳复合结构金属粒子点阵列；
步骤五：采用激光对表面有微纳复合结构金属粒子的基板进行照射，同时在反应腔内施加均匀强磁场；由均匀强磁场引导微纳复合结构金属粒子中的磁性内核带动整个微纳复合结构金属粒子在基板中定向移动，对基板进行加工形成加工孔；
步骤六：直至加工孔达到目标孔径大小、形状、深度的纳米孔或微米孔后，中止激光照射及移除均匀强磁场，获得成品。
2.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：步骤一中，所述基材为玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的板型材料。
3.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：步骤二和步骤三中，根据曝光的图形，控制所述基板表面沉积的微纳复合结构金属粒子的区域。
4.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：所述磁性内核为半径50～1000nm的球形铁粒子、铁化合物粒子、镍粒子、镍化合物粒子、钴粒子和钴化合物粒子中的任意一种；所述纳米金属粒子镀层为直径为10～100nm的纳米金粒子或长度为10～50nm、宽度为1～10nm的金纳米棒的复合粒子。
5.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：步骤五中，所述激光的波长为350-2000nm；所述均匀强磁场由永磁磁铁或交变线圈产生。
6.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：步骤五中，当加工孔为直孔时，则在反应腔内施加的均匀强磁场与基板表面相垂直。
7.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：步骤五中，当加工孔为斜孔时，则在反应腔内施加的均匀强磁场与基板表面成夹角α，α的角度等于斜孔的角度。
8.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：步骤五中，当加工孔为轴线与基板表面相互平行的孔通道时，则在反应腔内施加的均匀强磁场与基板表面平行。
9.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：步骤五中，当加工孔为弯折的纳米孔通道时，则在反应腔内交替施加方向不同的均匀强磁场。
10.根据权利要求1所述的一种纳米及微米孔的加工方法，其特征在于：步骤五中，所述加工孔的加工速度为5～50nm/min。
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