CN112647044A - 基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳尺度的致动器技术领域，具体为一种基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法。本发明的微纳致动器包括表面平整的石英玻璃衬底，以及形成于衬底上的二氧化钒管状结构，该二氧化钒管状结构由具有内应力梯度的二氧化钒薄膜在腐蚀液中释放应力卷曲而得，包括向上卷曲与向下卷曲两种结构；其中，具有内应力梯度的二氧化钒薄膜由两种不同衬底温度下溅射形成。本发明还可以通过调节衬底温度的大小控制卷曲的方向。不同卷曲方向的二氧化钒三维管状结构在温度或光触发相变后具有不同的致动方向和形变量。这种微纳致动器，制备方法简单，成本较低，可大规模生产，对在动态器件中具有广泛应用意义。

Description

基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法

技术领域

本发明属于微纳尺度致动器技术领域，具体涉及一种基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法。

背景技术

平面智能薄膜材料是当前研究的热点，其受到外界刺激产生特定响应的能力使它在不同领域都具有巨大的应用潜力。二氧化钒就是其中的一员，在外界条件如热、光、电、力的刺激下，二氧化钒会发生由绝缘相到金属相的转变，并且晶格会从单斜相向四方相变化，相变窗口在飞秒级别。由于内在晶格、电子结构的转变，二氧化发你会伴随很多外部性质的改变。例如，二氧化钒相变后，电阻率可降低3-5个数量级；在绝缘相时，二氧化钒具有较高的红外透射率（>50％），但金属相在红外区域几乎不透明（<30％）；同时，相变的产生还会二氧化钒晶格在c轴产生约1%的应变变化。然而，这些性质中的应变变化往往在平面状态中难以表现出了，因此将平面二氧化钒薄膜三维构筑有利于扩宽二氧化钒薄膜的应用宽度。

不仅对于二氧化钒，基于微纳尺度智能材料薄膜的三维结构往往会产生平面材料所不具备的宏观特性，如“超材料”，三维的光电探测器和三维柔性器件等。因此，实现平面纳米薄膜材料的三维构筑成为研究者们关注的焦点。然而，细微观下的平面薄膜向三维结构的转变存在着几个难点，首先是如何在微纳尺度下提供二维向三维转变的驱动力，即三维构筑的小型化；其次，如何实现单个三维微结构的大规模阵列，即三维结构的集成度；最后，如何完成特定三维结构的构筑，即三维结构的重构性。针对这些难点，研究者们提出了一种基于应力控制的折叠方法，成功实现了二维薄膜向三维微结构的转变。这种卷曲构筑的方法被称为“折纸术”，它可以通过简单的调控薄膜沉积参数的方法使二维超薄纳米薄膜产生内应力梯度，并在内应力释放后原位卷曲为三维结构。解决了驱动力的同时，这个“力”的作用范围也覆盖了整片薄膜，因而可以通过区域性的释放内应力实现结构的阵列。同时，这种方法可以结合不同的材料，如聚合物，金属以及氧化物等，还可以结合不同的衬底，如金属，硅片，透明石英，玻璃等。并可通过对图形化的二维薄膜进行“折纸”，使卷曲的三维结构呈现如管子和弹簧等多种几何形状。基于优秀的“折纸术”，与智能材料相结合，得益于卷曲纳米薄膜较高的能量密度，以及对应变的敏感性和“薄”带来的柔软性，这样的智能材料三维卷曲结构受外界刺激后将具有极快的响应速度和相应的大幅度形变。这就使“折纸术”制备的智能微卷曲结构具有非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种柔软性好、制动能力强的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法。

本发明通过控制沉积参数对二氧化钒薄膜内应力进行调控，实现二氧化钒薄膜的卷曲方向控制，并针对不同的卷曲方向，制备不同致动行为的微纳致动器。

本发明提供的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器，具有三维管状结构，其包括：

衬底，一种表面平整的石英玻璃；

形成于衬底表面的二氧化钒管状结构，该二氧化钒管状结构由具有内应力梯度的二氧化钒薄膜在腐蚀液中释放应力卷曲而得，包括向上卷曲与向下卷曲两种结构；其中，单个管状结构长度为200μm±2μm，管径为60-80μm；

其中，所述具有内应力梯度的二氧化钒薄膜由两种不同衬底温度下溅射形成，总厚度为100nm±5nm。

本发明还提供上述基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器的制备方法，具体步骤如下：

(1)利用丙酮、乙醇、清水，分别超声清洗石英衬底；

(2)利用磁控溅射在石英衬底表面生长具有内应力的二氧化钒薄膜；

(3)在二氧化钒表面光刻图形阵列；

(4)利用氢氟酸选择性腐蚀石英衬底，得到两种不同卷曲方向（一种向上卷曲与一种向下卷曲）的二氧化钒管状结构。

步骤(1)中，石英衬底为双面抛光，表面粗糙度低于2nm。

步骤(2)中，通过调节磁控溅射中的沉积温度以获得具有内应力的二氧化钒单组分薄膜。具体地，一次磁控溅射过程中，在其他参数不变的情况下，在石英衬底上，先在较高温度（如550℃）下沉积下层，然后在较低温度（如450℃）下沉积上层；该二层二氧化钒薄膜复合膜，在应力释放后二氧化钒薄膜向上卷曲；将沉积先后顺序调换，先在较低温度（如450℃）下沉积下层，然后在较高温度（如550℃）下沉积上层；该二层二氧化钒薄膜复合膜，在应力释放后二氧化钒薄膜向下卷曲。

本发明中，还可以通过调节衬底温度的大小控制卷曲的方向。不同卷曲方向的二氧化钒三维管状结构在温度或光触发相变后具有不同的致动方向和形变量。

本发明中，由于二氧化钒与多种酸碱会产生反应，因此选用氢氟酸作为腐蚀液，而衬底（牺牲层）则选择透明且与氢氟酸能反应的石英玻璃。

本发明提供的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器，其致动原理为：

(1)向上卷曲的二氧化钒管状结构在受到热或光触发相变后，管径会逐渐增大，直到完全展平于衬底上；去掉刺激条件后，薄膜会重新卷曲成原有管径的三维结构；

(2)向下卷曲的二氧化钒管状结构在受到热或光触发相变后，管径先逐渐增大，曲率为零后，由于二氧化钒薄膜的上表面没有限制，管径会持续变化，由向下卷曲变为向上卷曲，最后的向上卷曲管径达到与初始的向下卷曲管径一直；相变结束后，薄膜会重新由向上卷曲回到向下卷曲的状态。

于是，本发明提供的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器，其致动方式为：

（1）对微纳致动器加热至68℃或施加红外光照(一般可用808nm激光，功率为82.08μW)，使向上卷曲的二氧化钒管状结构在受到热或光照后触发相变，管径逐渐增大，直到完全展平于衬底上；

使向下卷曲的二氧化钒管状结构在受到热或光照后触发相变，管径先逐渐增大，曲率为零后，管径持续变化，由向下卷曲变为向上卷曲，最后的向上卷曲管径达到与初始的向下卷曲管径一致。

（2）撤消加热或光照

使完全展平于衬底上的薄膜重新卷曲成原来的向上卷曲的二氧化钒管状结构；

使已经转变为上卷曲的二氧化钒管状结构重新转变为向下卷曲的二氧化钒管状结构。

本发明基本原理是，在磁控溅射沉积二氧化钒薄膜的过程中，在保持其他参数不变的情况下，不同的沉积温度会对应于一个特定应力值的二氧化钒薄膜，因此，将两个确定应力状态的二氧化钒薄膜生长在一起，就能够实现应力梯度的引入。并且，由于温度主要影响二氧化钒薄膜的结晶程度，对组分的影响不大，因而在氧气氛围不变的情况下，改变沉积温度就能有效改变应力梯度的大小与方向，从而实现卷曲方向的控制。同时，不同的应力方向也导致致动方向的变化，而纯二氧化钒的卷曲结构使得致动的形变量能达到极大的范围。

本发明的独创性在于利用沉积温度这一单一变量控制了二氧化钒薄膜的内应力状态，并在不引入其他材料的情况下，实现了在纯二氧化钒薄膜中可控的应力梯度，并在腐蚀后完成可控的卷曲结构制备。这样的纯二氧化钒卷曲结构不但具有更好的柔软性，同时在应激后具有远超传统致动器的致动能力。

本发明的微纳尺度致动器，制备方法简单，成本较低，可大规模生产，对在动态器件中具有很好的实际应用意义。

附图说明

图1为本发明在透明衬底上的基于纯二氧化钒薄膜的三维管状结构示意图。其中，(a)向上卷曲，(b)向下卷曲。

图2为不同方向卷曲的实例。其中，(a)向上卷曲,(b)向下卷曲。比例尺为100μm。

图3为向上卷曲致动器加热前后致动实例。其中，(a)25℃,(b)80℃。比例尺为100μm。

图4为向下卷曲致动器加热前后致动实例。其中，(a)25℃,(b)80℃。比例尺为100μm。

图中标号：1-衬底温度450℃下生长的二氧化钒薄膜；2-衬底温度550℃下生长的二氧化钒薄膜；3-石英玻璃。

具体实施方式

以下将结合附图，详细说明纯二氧化钒卷曲结构的制备方法及效果。以下实施例用于说明本发明，但不作为对本发明内容的限制。

“一种基于可控卷曲二氧化钒薄膜的致动器”

(1)取石英片作为基片，用丙酮、乙醇、去离子水依次进行超声清洗十分钟，在氮气流中干燥。

(2)将清洗好的石英片作为衬底，放入Kurt J. Lesker公司生产的PVD75型磁控溅射中沉积二氧化钒薄膜。保持以下参数不变：靶材为金属钒靶，利用射频电源200W，溅射总时长1200s，氧氩比保持40:60。a）当温度升至550℃后生长第一层二氧化钒薄膜，生长时间为600s，降温至450℃后，继续生长600s。b)当温度升至450℃后生长第一层二氧化钒薄膜，生长时间为600s，升温至550℃后，继续生长600s。制备两种不同应力状态的二氧化钒薄膜，并进行以下相同的操作。

(3)使用中国鑫有研公司的KW-4A型匀胶机在二氧化钒薄膜表面旋图一层光刻胶。光刻胶型号为AZ-5214正性光刻胶。低转速为600 rpm，旋转时间为6 s；高转速为4000 rpm，旋转时间为30 s。然后置于电热板上在90 ℃下前烘90 s。使用德国SUSS公司的MA6紫外光刻机光刻正方形阵列，每一个正方形的变长为100μm，图形间间隔100μm。将光刻后的基片浸没于苏州瑞红电子化学品有限公司RZX-3038型正胶显影液中35 s后用去离子水清洗，经氮气流干燥后得到光刻基片。再经过在反应离子刻蚀仪器中通入CF₄ 30 sccm将光刻图形中的二氧化钒部分刻蚀掉，利用乙醇超声清洗30s后去掉光刻胶，得到具有腐蚀窗口图形的二氧化钒基片。

(4)用氢氟酸腐蚀制备好的二氧化钒后放置于倒入了乙醇的美国Tousimis公司的Autosamdri-815B Series B型超临界干燥仪的腔体内。待干燥程序结束后取出样品，分别得到向上卷曲的二氧化钒薄膜与向下卷曲的二氧化钒薄膜。

(5)将两种不同卷曲方向的二氧化钒薄膜样品放入林肯加热台中，缓慢升温至80℃，升温速率1℃/min，并在光镜下观察致动方式。

实施例1

本实例如图2(a)所示，在一次磁控溅射过程中，保持氧氩比，功率等参数不变，当温度升到550℃后，开始升长第一层二氧化钒，时间为600s。降温至450℃后，继续生长600s。冷却取出样品，经过图形化，刻蚀和腐蚀卷曲，得到向上卷曲的二氧化钒管状结构。室温下的状态如图3(a)所示，为向上卷曲状态，升温至80℃后的展平状态如图3(b)所示。

实施例2

本实例如图2(b)所示，在一次磁控溅射过程中，保持氧氩比，功率等参数不变，当温度升到450℃后，开始升长第一层二氧化钒，时间为600s。升温至550℃后，继续生长600s。冷却取出样品，经过图形化，刻蚀和腐蚀卷曲，得到向下卷曲的二氧化钒管状结构。室温下的状态如图4(a)所示，为向下卷曲状态，升温至80℃后的呈现向上卷曲状态如图4(b)所示。

Claims (6)

1.一种基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器，其特征在于，具有三维管状结构，具体包括：

衬底，一种表面平整的石英玻璃；

形成于衬底表面的二氧化钒管状结构，该二氧化钒管状结构由具有内应力梯度的二氧化钒薄膜在腐蚀液中释放应力卷曲而得，包括向上卷曲与向下卷曲两种结构；其中，单个管状结构长度为200μm±2μm，管径为60-80μm；

其中，所述具有内应力梯度的二氧化钒薄膜由两种不同衬底温度下溅射形成，总厚度为100nm±5nm。

2.一种如权利要求1所述的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)利用丙酮、乙醇、清水，分别超声清洗石英衬底；

(2)利用磁控溅射在石英衬底表面生长具有内应力的二氧化钒薄膜；

(3)在二氧化钒表面光刻图形阵列；

(4)利用氢氟酸选择性腐蚀石英衬底，得到两种不同卷曲方向的二氧化钒管状结构。

3.根据权利要求2所述的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述石英衬底为双面抛光，表面粗糙度低于2nm。

4.根据权利要求2所述的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述通过调节磁控溅射中的沉积温度以获得具有内应力的二氧化钒单组分薄膜，具体流程为：一次磁控溅射过程中，在其他参数不变的情况下，先在较高温度下沉积下层，然后在较低温度下沉积上层；该二层二氧化钒薄膜复合膜，在应力释放后二氧化钒薄膜向上卷曲；将沉积先后顺序调换，先在较低温度下沉积下层，然后在较高温度下沉积上层；该二层二氧化钒薄膜复合膜，在应力释放后二氧化钒薄膜向下卷曲。

5.根据权利要求4所述的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器的制备方法，其特征在于，通过调节衬底温度的大小控制二氧化钒薄膜卷曲的方向。

6.一种如权利要求1所述的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器的致动方式，其特征在于，具体为：

（1）对微纳致动器加热至68℃或施加红外光照，使向上卷曲的二氧化钒管状结构在受到热或光照后触发相变，管径逐渐增大，直到完全展平于衬底上；

使向下卷曲的二氧化钒管状结构在受到热或光照后触发相变，管径先逐渐增大，曲率为零后，管径持续变化，由向下卷曲变为向上卷曲，最后的向上卷曲管径达到与初始的向下卷曲管径一致；

（2）撤消加热或光照

使完全展平于衬底上的薄膜重新卷曲成原来的向上卷曲的二氧化钒管状结构；

使已经转变为上卷曲的二氧化钒管状结构重新转变为向下卷曲的二氧化钒管状结构。

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