CN112213915A - 一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置及方法摘要一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置及方法，首先利用涂胶装置一、涂胶装置二将压印胶苄基硫醇钯均匀涂抹到衬底一、衬底二表面，然后压印装置一、压印装置二分别对衬底一、衬底二进行压印得到带有纵向光栅结构的衬底一、带有横向光栅结构的衬底二，对衬底一进行高温处理一小时使苄基硫醇钯光栅转化为金属钯光栅，然后在压印装置三的作用下横向光栅脱离衬底二，并粘附到纵向光栅上形成叠堆结构，再进行一小时的高温处理使横向苄基硫醇钯光栅转化为金属钯光栅，得到超疏水微结构。本发明通过使用辊对辊压印，使用纳米压印与化学相结合的方法制备超疏水微结构，可轻易制备出复合结构，避免衬底多次取放，减少制备时间与对准误差，成本大大降低。

Description

一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米压印领域，尤其是一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置及方法。

背景技术

纳米压印技术相比于传统的光刻技术拥有成本低，产量高，工艺简单的优点，如今已经成为各大高校和研究机构的热门课题。其原理是通过纳米压印的方式在压印胶上复刻出与模板上的微结构互补的纳米微结构，然后再使用化学刻蚀等方式对复刻出的纳米微结构进行处理，最终制成具有纳米结构的半导体材料。

目前，纳米压印技术可以分为三大类：热压印技术、紫外压印技术和微接触印刷技术，本发明主要采用热压印技术来制备超疏水微结构。热压印技术是：首先在衬底上涂上一层热塑性聚合物压印胶，其次将压印胶加热到玻璃化温度，再次用模板对准压印胶下压，使压印胶完全填充到模板图案中，最后冷却固化脱模，得到所要制备的超疏水微结构。超疏水微结构在生物医学、太阳能应用和汽车工业等领域广泛应用，其中带有叠堆结构的超疏水微结构的疏水效果更好。但是如何大批量、低成本制备超疏水叠堆微结构是目前面临的一大难题。

现如今制备复杂的纳米超疏水叠堆微结构大多采用电子束光刻技术，但是存在电子束光刻技术成本太高，效率太低，不适合大批量生产等难题。目前研究人员开始研究通过效率更高、成本更低的纳米压印技术来制备超疏水叠堆微结构，以满足各大领域对超疏水微结构的巨大需求。但是利用纳米压印方法制备带有叠堆结构的超疏水结构需要多次压印，多次取放，既耗时，又影响对准精度，且需要的模板复杂，价格昂贵，操作困难。在公布号CN 107964114的发明中，利用阳极化反应获得具有多孔结构氧化铝模板，将PMMA溶解配制成溶液，然后将溶液铺设于氧化铝模板表面上，最后进行加热冷却除去模板，获得具有超疏水功能的纳米薄膜。但该制备方法仍然有一定的不足，该方法使用化学方法制备，相比于利用纳米压印方法制备，一是该方法制备过程太复杂，耗时长，二是该方法难以制备出复合结构。

发明内容

为解决超疏水微结构的制备问题，本发明提出了一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置及方法。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置包括机架、底板、加热装置、压印装置、涂胶装置一、涂胶装置二、热处理装置、放卷辊一、放卷辊二、收卷装置，其中机架通过螺钉连接在底板上，涂胶装置一和涂胶装置二均通过螺钉固定在机架上，压印装置通过轴承配合在机架上，加热装置通过螺钉固定于机架上，热处理装置通过螺钉固定于机架上，放卷辊一、放卷辊二、收卷装置均通过轴承配合在机架上。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的加热装置包括加热辊一、加热辊二和加热辊三，其中加热辊一、加热辊二和加热辊三均可以调节温度。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的压印装置包括压印辊一、压印辊二、压印辊三、衬底一、衬底二、支撑辊、伺服电机一、伺服电机二、伺服电机三，其中压印辊一、压印辊二、压印辊三和支撑辊均通过轴承配合在机架上，衬底一由放卷辊一、加热辊一、加热辊三、收卷辊一支撑，衬底二由放卷辊二、加热辊二、支撑辊、收卷辊二支撑，伺服电机一通过螺钉固定在机架上，且伺服电机一与压印辊一连接，伺服电机二通过螺钉固定在机架上，且伺服电机二与压印辊二连接，伺服电机三通过螺钉固定在机架上，且伺服电机三与压印辊三连接。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：压印辊一、压印辊二上分别有微纳结构不同的模板图案，其中压印辊一上的模板一为纵向光栅结构，压印辊二上的模板二为横向光栅结构。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的涂胶装置一包括涂胶箱一和涂胶辊一，其中涂胶辊一通过轴承配合于涂胶箱一上，涂胶箱一与机架通过螺钉连接，涂胶箱一中有光刻胶。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的涂胶装置二包括涂胶箱二和涂胶辊二，其中涂胶辊二通过轴承配合于涂胶箱二上，涂胶箱二与机架通过螺钉连接，涂胶箱二中有光刻胶。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的热处理装置包括热处理装置一和热处理装置二，其中热处理装置一和热处理装置二均可以调节温度，热处理装置一和热处理装置二均通过螺钉固定于机架上。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的收卷装置包括收卷辊一、收卷辊二、伺服电机四，伺服电机五，收卷辊一、收卷辊二通过轴承配合在机架上，伺服电机四通过螺钉固定在机架上，且伺服电机四与收卷辊一连接，伺服电机五通过螺钉固定在机架上，且伺服电机五与收卷辊二连接。

根据本发明的目的提供一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置的压印方法，包括以下步骤：

首先收卷辊一卷收衬底一，带动放卷辊一放出衬底一，涂胶装置一将压印胶苄基硫醇钯均匀涂抹到衬底一表面，涂完胶之后衬底一移动到压印辊一正下方，压印辊一随着衬底一移动同步旋转，使压印辊一表面的图案转移到衬底一表面的压印胶上，随后衬底一通过热处理装置一并对衬底一进行250℃高温处理一小时，使苄基硫醇钯光栅转化为金属钯光栅；

在衬底一开始运动的同时，同步放出衬底二，衬底二通过涂胶装置二，涂胶装置二将压印胶苄基硫醇钯均匀涂抹到衬底二表面，涂完胶之后衬底二移动到压印辊二正下方，压印辊二随着衬底二移动同步旋转，使压印辊二表面的图案转移到衬底二表面的压印胶上；

衬底二经过压印辊三翻转后与衬底一上下交叠，加热辊三将衬底一与衬底二加热至130℃，压印辊三施加向下的25Pa压力，对其进行压印，衬底二表面的苄基硫醇钯光栅脱离衬底二粘附到衬底一的光栅上，随后衬底一通过热处理装置二，热处理装置二对衬底一进行250℃高温处理一小时，使上层的苄基硫醇钯光栅也转化为金属钯光栅，得到超疏水微结构；

伺服电机四带动收卷辊一将带有微结构的衬底一卷起，伺服电机五带动收卷辊二将衬底二卷起。

本发明具有以下明显优点：

通过利用苄基硫醇钯光栅结构在250℃高温处理下转换化为金属钯光栅结构的化学属性，利用纳米压印方法制备叠堆超疏水结构，制备原理简单，可轻易制备出复合结构；

通过辊对辊组合压印制备超疏水微结构，可以一次性制备出超疏水叠堆微结构，避免了多次取放影响对准精度和易对衬底上图案造成污染的问题，大大节约了制备的时间；

通过辊对辊组合压印制备超疏水微结构，其只需使用具有光栅的简单模板就能制备复杂的带有叠堆结构的超疏水微结构，相较于使用电子束技术制备超疏水微结构，所需成本大大降低。

附图说明

图1是一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置的结构示意图；

图2是一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置的内部结构示意图；

图3是一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置的前视图；

图4是一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置的俯视图；

图5是模板一和模板二的结构示意图；

图6是压印出的纵向苄基硫醇钯光栅的结构示意图；

图7是压印出的纵向金属钯光栅的结构示意图；

图8是压印出的横向苄基硫醇钯光栅的结构示意图；

图9是纵向金属钯光栅叠堆上横向苄基硫醇钯光栅的结构示意图；

图10是超疏水微结构的结构示意图；

图11是一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置的工作流程图；

附图标记说明

1-机架、2-底板、3-加热装置、4-压印装置、5-涂胶装置一、6-涂胶装置二、7-热处理装置、8-放卷辊一、9-放卷辊二、10-收卷辊装置、301-加热辊一、302-加热辊二、303-加热辊三、401-压印辊一、402-压印辊二、403-压印辊三、404-衬底一、405-衬底二、406-支撑辊、407-伺服电机一、408-伺服电机二、409-伺服电机三、501-涂胶箱一、502-涂胶辊一、601-涂胶箱二、602-涂胶辊二、701-热处理装置一、702-热处理装置二、1001-收卷辊一、1002-收卷辊二、1003-伺服电机四、1004-伺服电机五、40101-模板一、40201-模板二、40401-微结构一、40402-微结构二、40403-叠堆结构、40404-超疏水微结构、40501-微结构三。

具体实施方式

如图1、图2所示，所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置包括：机架1、底板2、加热装置3、压印装置4、涂胶装置一5、涂胶装置二6、热处理装置7、放卷辊一8、放卷辊二9、收卷装置10，其中机架1通过螺钉连接在底板2上，涂胶装置一5和涂胶装置二6均通过螺钉固定在机架1上，压印装置4通过轴承配合在机架1上，加热装置3均通过螺钉固定于机架1上，热处理装置7通过螺钉固定于机架1上，放卷辊一8、放卷辊二9和收卷装置10均通过轴承配合在机架1上。

如图3所示，所述的加热装置3包括：加热辊一301、加热辊二302和加热辊三303，其中加热辊一301、加热辊二302和加热辊三303均可以自由调节温度。

如图2、图4所示，所述的压印装置4包括：压印辊一401、压印辊二402、压印辊三403、衬底一404、衬底二405、支撑辊406、伺服电机一407、伺服电机二408、伺服电机三409，其中压印辊一401、压印辊二402、压印辊三403和支撑辊406均通过轴承配合在机架1上，衬底一404由放卷辊一8、加热辊一301、加热辊三303、收卷辊一1001支撑，衬底二405由放卷辊二9、加热辊二302、支撑辊406、收卷辊二1002支撑，伺服电机一407通过螺钉固定在机架1上，且伺服电机一407与压印辊一401连接，伺服电机二408通过螺钉固定在机架1上，且伺服电机二408与压印辊二402连接，伺服电机三409通过螺钉固定在机架1上，且伺服电机三409与压印辊三403连接。

如图3所示，所述的涂胶装置一5包括：涂胶箱一501和涂胶辊一502，其中涂胶辊一502通过轴承配合于涂胶箱一501上，涂胶箱一501与机架1通过螺钉连接，涂胶箱一501中有压印胶。

如图3所示，所述的涂胶装置二6包括：涂胶箱二601和涂胶辊二602，其中涂胶辊二602通过轴承配合于涂胶箱二601上，涂胶箱二601与机架1通过螺钉连接，涂胶箱二601中有压印胶。

如图3所示，所述的热处理装置7包括：热处理装置一701和热处理装置二702，其中热处理装置一701和热处理装置二702均可以调节温度，热处理装置一701和热处理装置二702均通过螺钉固定于机架1上。

如图3、图4所示，所述的收卷装置10包括收卷辊一1001、收卷辊二1002、伺服电机四1003，伺服电机五1004，收卷辊一1001、收卷辊二1002通过轴承配合在机架1上，伺服电机四1003通过螺钉固定在机架1上，且伺服电机四1003与收卷辊一1001连接，伺服电机五1004通过螺钉固定在机架1上，且伺服电机五1004与收卷辊二1002连接。

如图5所示，压印辊一401上的模板一40101为横向光栅结构，压印辊二402 上的模板二40201为纵向光栅结构。

如图6、图7、图8、图9、图10所示，压印辊一401在压印胶上压印得到了微结构一40401，将得到的微结构一40401用热处理装置一701加热固化得到微结构二40402，在压印辊一401运动的同时用压印辊二402在压印胶上压印得到了微结构三40501，然后微结构二40402和微结构三40501再同时通过压印辊三403和加热辊三303，得到了叠堆结构40403，最后通过热处理装置二702对叠堆结构40403进行加热固化得到了超疏水微结构40404。

下面结合图1-图11发明的实施流程，做进一步说明:

首先，启动伺服电机四1003，保证其为顺时针方向旋转，使得收卷辊一1001收卷速率和放卷辊一8的放卷速率保持一致，使衬底一404保持平稳运动，待衬底一404到达涂胶装置一5正下方时， 在涂胶箱一501里注入压印胶，再由涂胶辊一502将压印胶均匀地涂抹在衬底一404表面上。将涂完压印胶的衬底一404输送到压印辊一401正下方，随后通过加热辊一301将压印胶加热到玻璃化温度，启动伺服电机一407，保证其转速与伺服电机四1003相同，方向与伺服电机四1003相反，在压印辊一401和加热辊一301的相互配合下将压印胶填充至压印辊一401上的模板一40101的特征层中，得到了微结构一40401。使衬底一404保持平稳运动，待衬底一404到达热处理装置一701时，启动热处理装置一701对微结构一40401进行250℃高温处理一小时得到微结构二40402，使苄基硫醇钯光栅转化为金属钯光栅。在启动伺服电机四1003的同时，同步启动伺服电机五1004，保证其转速和方向与伺服电机四1003相同，使得收卷辊二1002收卷速率和放卷辊二9的放卷速率保持一致，使衬底二405保持平稳运动，待衬底二405到达涂胶装置二6正下方时， 在涂胶箱二601里注入压印胶，再由涂胶辊二602将压印胶均匀地涂抹在衬底二405表面上。将涂完胶的衬底二405输送到压印辊二402正下方，随后通过加热辊二302将压印胶加热到玻璃化温度，启动伺服电机二408，保证其转速和方向与伺服电机五1004相同，在压印辊二402和加热辊二302的相互配合下将压印胶填充至压印辊二402上的模板二40201的特征层中，得到了微结构三40501。启动伺服电机三409，保证其转速与伺服电机五1004相同，方向与伺服电机五1004相反，压印辊三403带动衬底二405旋转，使微结构三40501移动到微结构二40402上方，随后通过加热辊三303加热微结构三40501使其达到130℃，在压印辊三403和加热辊三303的相互配合下使微结构三40501脱离衬底二405粘附到微结构二40402上，得到叠堆结构40403。待衬底一404到达热处理装置二702时，启动热处理装置二702对叠堆结构40403进行250℃高温处理一小时，使粘附上的苄基硫醇钯光栅转化为金属钯光栅得到超疏水微结构40404。通过收卷辊二1002将衬底二405卷起，收卷辊一1001将衬底一404卷起，最后得到由微结构一40401和微结构三40501叠堆出的超疏水微结构40404。

Claims (9)

1.一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置包括机架、底板、加热装置、压印装置、涂胶装置一、涂胶装置二、热处理装置、放卷辊一、放卷辊二、收卷装置，其中机架通过螺钉连接在底板上，涂胶装置一和涂胶装置二均通过螺钉固定在机架上，压印装置通过轴承配合在机架上，加热装置通过螺钉固定于机架上，热处理装置通过螺钉固定于机架上，放卷辊一、放卷辊二和收卷装置均通过轴承配合在机架上。

2.根据权利要求1中所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的加热装置包括加热辊一、加热辊二和加热辊三，其中加热辊一、加热辊二和加热辊三均通过螺钉固定在机架上，且都可以调节温度。

3.根据权利要求1中所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的压印装置包括压印辊一、压印辊二、压印辊三、衬底一、衬底二、支撑辊、伺服电机一、伺服电机二、伺服电机三，其中压印辊一、压印辊二、压印辊三和支撑辊均通过轴承配合在机架上，衬底一由放卷辊一放出，衬底二由放卷辊二放出，伺服电机一通过螺钉固定在机架上，且伺服电机一与压印辊一连接，伺服电机二通过螺钉固定在机架上，且伺服电机二与压印辊二连接，伺服电机三通过螺钉固定在机架上，且伺服电机三与压印辊三连接。

4.根据权利要求3中所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的压印辊一、压印辊二上分别有微纳结构不同的模板图案，其中压印辊一上的模板一为纵向光栅结构，压印辊二上的模板二为横向光栅结构。

5.根据权利要求1中所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的涂胶装置一包括涂胶箱一和涂胶辊一，其中涂胶辊一通过轴承配合于涂胶箱一上，涂胶箱一与机架通过螺钉连接，涂胶箱一中有光刻胶。

6.根据权利要求1中所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的涂胶装置二包括涂胶箱二和涂胶辊二，其中涂胶辊二通过轴承配合于涂胶箱二上，涂胶箱二与机架通过螺钉连接，涂胶箱二中有光刻胶。

7.根据权利要求1中所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的热处理装置包括热处理装置一和热处理装置二，其中热处理装置一和热处理装置二均可以调节温度，热处理装置一和热处理装置二均通过螺钉固定于机架上。

8.根据权利要求1中所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置，其特征在于：所述的收卷装置包括收卷辊一、收卷辊二、伺服电机四，伺服电机五，收卷辊一、收卷辊二通过轴承配合在机架上，伺服电机四通过螺钉固定在机架上，且伺服电机四与收卷辊一连接，伺服电机五通过螺钉固定在机架上，且伺服电机五与收卷辊二连接。

9.根据权利要求1-8所述的一种可制备超疏水微结构的纳米压印装置的压印方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先收卷辊一卷收衬底一，带动放卷辊一放出衬底一，涂胶装置一将压印胶苄基硫醇钯均匀涂抹到衬底一表面，涂完胶之后衬底一移动到压印辊一正下方，压印辊一随着衬底一移动同步旋转，使压印辊一表面的图案转移到衬底一表面的压印胶上，随后衬底一通过热处理装置一并对衬底一进行250℃高温处理一小时，使苄基硫醇钯光栅转化为金属钯光栅；

（2）在衬底一开始运动的同时，同步放出衬底二，衬底二通过涂胶装置二，涂胶装置二将压印胶苄基硫醇钯均匀涂抹到衬底二表面，涂完胶之后衬底二移动到压印辊二正下方，压印辊二随着衬底二移动同步旋转，使压印辊二表面的图案转移到衬底二表面的压印胶上；

（3）衬底二经过压印辊三翻转后与衬底一上下交叠，加热辊三将衬底一与衬底二加热至130℃，压印辊三施加向下的25Pa压力，对其进行压印，衬底二表面的苄基硫醇钯光栅脱离衬底二粘附到衬底一的光栅上，随后衬底一通过热处理装置二，热处理装置二对衬底一进行250℃高温处理一小时，使上层的苄基硫醇钯光栅也转化为金属钯光栅，得到超疏水微结构；

（4）伺服电机四带动收卷辊一将带有微结构的衬底一卷起，伺服电机五带动收卷辊二将衬底二卷起。

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