CN113173552B - 具有导电性能的大尺度超滑元件及其加工工艺、大尺度超滑系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有导电性能的大尺度超滑元件及其加工工艺、大尺度超滑系统，包括至少两个超滑片和设于超滑片上的导电支撑台，相邻的超滑片通过导电支撑台相连接，导电支撑台与超滑片导电接触并固定连接，且所有超滑片远离导电支撑台的表面组合为超滑面。本发明提供的具有导电性能的大尺度超滑元件，导电支撑台能够直接与超滑片贴合实现导电接触，导电支撑台和超滑片之间不存在其他不能够导电或导电性能差的材料，具有较好的导电性能，导电支撑台还可以实现若干个超滑片的连接，能够实现更大尺度的超滑，刚性的导电支撑台也具有较好的承载性能。

Description

具有导电性能的大尺度超滑元件及其加工工艺、大尺度超滑 系统

技术领域

本发明属于结构超滑的技术领域，更具体地说，是涉及一种具有导电性能的大尺度超滑元件及其加工工艺、大尺度超滑系统。

背景技术

结构超滑是解决摩擦磨损导致的能量耗散和机械损伤问题的理想方案之一，结构超滑是指两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面之间摩擦、磨损几乎为零的现象。目前结构超滑一般是采用石墨等材料制成，受到现有的石墨材料的晶粒尺寸限制，目前生产出的超滑片的尺寸较小，其尺寸一般为100nm至100μm，难以应用于较大尺寸的需要实现超滑的器件中。

申请号为202011581932.1的中国专利申请，其公开了一种大尺度超滑元器件及其加工方法，其通过胶层将多个超滑片相连接，胶层可以直接刷至超滑片上，通过控制胶层刷至超滑片上的力度等直接控制胶层的厚度和成型的胶层的形状。但是，该生产工艺只能够适用于胶层等柔性粘接材料，胶层等柔性粘接材料不具有导电性能，胶层固化后的强度仍然较低，难以满足大尺度超滑元件对承载力的要求。

在微纳加工中，对于金属材料和超滑片之间的导电连接也存在较大的难度，由于金属材料和石墨片属于异质材料，异质材料的连接处会存在空隙，空隙的存在会增加金属材料和超滑片之间的电阻，使得整个器件的电阻较大，整体电性能降低。

因此，如何使得多个超滑片连接并形成大尺度的超滑器件，同时可以具有较好的电性能，是本领域技术人员的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有导电性能的大尺度超滑元件，以解决现有技术中大尺度超滑器件的电性能较差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种具有导电性能的大尺度超滑元件，包括至少两个超滑片和设于所述超滑片上的导电支撑台，相邻的所述超滑片通过所述导电支撑台相连接，所述导电支撑台与所述超滑片导电接触并固定连接，且所有所述超滑片远离所述导电支撑台的表面组合为超滑面。

进一步地，所述超滑片的下表面均为超滑面，且所述导电支撑台位于所述超滑片的顶部。

进一步地，所述导电支撑台包括第一连接部和第二连接部，所述第一连接部位于所述超滑片上，且与所述超滑片导电连接，所述第一连接部由所述第二连接部相连接；优选的，所述第二连接部的下表面高于所述超滑片的下表面，所述第二连接部的下表面低于所述第一连接部的下表面；优选的，所述第二连接部和所述基底之间的间隙为1至50nm；优选地，所述间隙为1至10nm。

进一步地，所述导电支撑台采用金属材料制成；优选地，所述导电支撑台采用电镀工艺设于所述超滑片上。

进一步地，所述导电支撑台上开设有若干个通孔；优选地，所述通孔的孔径小于所述超滑片的面积；优选地，所述通孔环设于所述超滑片的外侧。

进一步地，包括基底和如上所述的超滑元件，所述超滑元件设于所述基底上，所述基底与所述超滑元件的接触面为原子级平整表面，所述超滑面与所述基底超滑接触。

本发明还公开了一种具有导电性能的大尺度超滑元件的加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：

将至少一个超滑片转移至具有原子级平整表面的基底上；

在所述基底和所述超滑片上沉积牺牲层；

在所述牺牲层上沉积电镀层；

在所述电镀层上采用电镀工艺成型为导电支撑台，且所述导电支撑台与所述超滑片导电接触连接；

去除所述牺牲层，成型为超滑元件。

进一步地，在沉积所述牺牲层后，在所述牺牲层上加工出凹槽，所述凹槽位于所述超滑片的上方；优选地，所述凹槽位于所述超滑片的正上方；优选地，所述凹槽的横截面面积小于所述超滑片的横截面面积。

进一步地，所述牺牲层的厚度为1至50nm；优选地，其厚度为1至10nm。

进一步地，在去除所述牺牲层时，在所述导电支撑台上开设若干个通孔，刻蚀液经所述通孔刻蚀所述牺牲层；优选地，所述通孔环设于所述超滑片的外侧。

本发明提供的具有导电性能的大尺度超滑元件的有益效果在于：

1、采用刚性的导电支撑台，导电支撑台能够直接与超滑片相贴合实现导电接触，导电支撑台和超滑片之间直接导电连接，导电支撑台和超滑片之间不存在其他不能够导电或导电性能差的材料，具有较好的导电性能，且导电支撑台还可以实现若干个超滑片的连接，能够实现更大尺度的超滑。

2、采用电镀工艺在超滑片上加工成型导电支撑台，其不仅具有较好的电学性能，且整个超滑元件的加工效率更高，超滑元件的成型率也比较高，能够适用于大规模的加工和生产。

3、通过后加工成型的导电支撑台，能够兼容超滑片的高度变化，使得多种不同高度的超滑片能够通过导电支撑台相连接，且能够保证超滑片组合后的表面为大尺寸的超滑面，大大的提高了超滑片的面积、承载能力和导电性能，具有较大的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的具有导电性能的大尺度超滑系统的结构示意图；

图2为图1中具有导电性能的大尺度超滑系统的俯视图；

图3为本发明实施例提供的具有导电性能的大尺度超滑元件的加工工艺的流程图。

其中，图中各附图标记：

1、基底；2、超滑片；3、导电支撑台；4、牺牲层；5、电镀层；31、第一连接部；32、第二连接部；33、通孔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

由于长期未能实现大尺度的超滑，近十多年来文献上常常将摩擦系数为千分之一量级或更低的现象，称作为“超滑”；而将最初的由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象，改称为“结构润滑”，本发明所指“超滑”特指由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象。

实施例1

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的具有导电性能的大尺度超滑元件进行说明。所述具有导电性能的大尺度超滑元件，包括至少两个超滑片2和导电支撑台3，导电支撑台3设在一个或多个超滑片2的上方，使得一个或多个超滑片2同时和导电支撑台3连接，导电支撑台3和超滑片2直接导电接触，导电支撑台3和超滑片2之间不存在其他不能够导电或导电性能差的材料，具有较好的导电性能，使得整个大尺度超滑元件均具有较好的电学性能。

其中，所有超滑片2拼接后组成一个新的表面，该表面为超滑面。超滑片2的至少一个表面为超滑平面，优选地，超滑片2的底面为超滑平面，为了使得所有的超滑片2能够稳定的对整个导电支撑台3进行支撑，所有的超滑片2的下表面位于同一表面上，即位于基底1上并保证所有超滑片2的下表面均与所述基底接触，其中该基底1的上表面具有原子级平整表面。超滑片2的上表面均与导电支撑台3固定连接，此时导电支撑台3可以实现若干个超滑片2的连接，能够实现更大尺度的超滑。

优选地，导电支撑台3下设有至少4个超滑片2，单个超滑片2的尺寸一般为1至20μm，导电支撑台3的尺寸一般为微米级别或毫米级别，能够大大的扩大超滑界面，且导电支撑台3为刚性材料，具有较好的支撑性，具有较广的应用前景。

进一步地，请一并参阅图1至图2，作为本发明提供的具有导电性能的大尺度超滑元件的一种具体实施方式，所述导电支撑台3包括第一连接部31和第二连接部32，第一连接部31和第二连接部32可以为两个相互固定连接的部件，也可以为一体成型的两个部件。所述第一连接部31与所述超滑片2的顶部固定连接，所述第二连接部32环设于所述第一连接部31和所述超滑片2的外侧，第二连接部32一般位于相邻的两个第一连接部31之间。

优选地，所述导电支撑台3的下表面高于所述超滑片2的下表面，即所述第二连接部32的下表面高于所述超滑片2的下表面，能够避免第二连接部32直接与基底1相接触，从而影响超滑片2的超滑性能。所述第二连接部32的下表面低于所述第一连接部31的下表面，此时能够降低导电支撑台3和基底1之间的间隙，当电极元件设置在基底1内部时，由于电极元件和导电支撑台3更近，则更容易将导电支撑台3驱动，即更容易驱动整个超滑元件。

优选地，第二连接部32的下表面与基底1之间的间隙可以为1至50nm，优选为1至10nm。

进一步地，请参阅图1至图2，作为本发明提供的具有导电性能的大尺度超滑元件的一种具体实施方式，所述导电支撑台3一般采用金属材料制成，例如铜、镍或金等导电性能较好的金属或合金材料。优选地，所述导电支撑台3采用电镀工艺镀设于所述超滑片2上，相较于离子注入等工艺，电镀工艺的加工速度更快，且加工精度也可以满足需求，适用于大规模量产。

进一步地，参阅图1及图2，作为本发明提供的具有导电性能的大尺度超滑元件的一种具体实施方式，所述导电支撑台3上开设有若干个通孔33，通孔33设置在导电支撑台3上，刻蚀液可以穿过该通孔33并将牺牲层4刻蚀去除，避免残余的牺牲层4影响整个的平整性。

优选地，所述通孔33的孔径小于所述超滑片2的面积，所述通孔33环设于所述超滑片2的外侧，能够保证超滑片2的两侧不会残留有牺牲层4，尤其是超滑片2和基底1的接触处的两侧，从而影响超滑片2的超滑性能。

实施例2

请参阅图1至图2，本发明还提供一种具有导电性能的大尺度超滑系统，包括基底1和如实施例1中所述的超滑元件，所述超滑元件设于所述基底1上，所述基底1与所述超滑元件的接触面为原子级平整表面，所述超滑面与所述基底1超滑接触。

本发明提供的具有导电性能的大尺度超滑系统，采用刚性的导电支撑台3，导电支撑台3能够直接与超滑片2相贴合实现导电接触，导电支撑台3和超滑片2之间直接导电连接，导电支撑台3和超滑片2之间不存在其他不能够导电或导电性能差的材料，具有较好的导电性能，且导电支撑台3还可以实现若干个超滑片2的连接，能够实现更大尺度的超滑。

实施例3

请参阅图1至图3，本发明还提供一种具有导电性能的大尺度超滑元件的加工工艺，包括如下步骤：

S1，制备超滑片2和平整基底1，其中平整基底1是指具有原子级平整表面的基底1；

S2，将超滑片2按照预设位置转移到原子级平整表面上，超滑片2可以同时转移或单独转移，且超滑片2的超滑表面贴合于该原子级平整表面上，使得超滑表面和原子级平整表面超滑接触；

S3，在所述平整基底1的表面和超滑片2上沉积牺牲层4，所述牺牲层4的厚度为1至50nm；优选地，其厚度为1至10nm。牺牲层4的材料一般选择与基底1和超滑片2都不同的材料，且牺牲层4的材料也为非金属，保证去除该牺牲层4时，不会对基底1、超滑片2和导电支撑台3产生影响。设置牺牲层4，能够避免在后期电镀过程中，导电支撑台3的下表面能够始终高于平整基底1。

其中，牺牲层4沉积时，一般平整基底1的表面和超滑片2上均沉积有牺牲层4，且牺牲层4的厚度均一，因此需要在牺牲层4上开设凹槽，并使得超滑片2上不覆盖有牺牲层4或不全部覆盖有牺牲层4；在所述牺牲层4上加工出凹槽，所述凹槽位于所述超滑片2的上方，通过该凹槽能够使得上层的导电支撑台3直接与超滑片2导电接触，且导电支撑台3和超滑片2之间不存在其他导电性能差或不能导电的材料。

优选地，该凹槽的横截面面积小于或等于超滑片2的横截面面积，该凹槽位于超滑片2的正上方，超滑片2的两侧不具有该凹槽，能够避免电镀层5落入至基底1上，从而影响其平整基底1表面的平整性。

优选地，还可以在沉积牺牲层4时即仅在超滑片2的两侧沉积牺牲层4，或者在沉积牺牲层4时即在超滑片2上预留凹槽，此处不作唯一限定。

S4，在所述牺牲层4上沉积电镀层5，该电镀层5用于采用电镀工艺加工成型为导电支撑台3，且电镀层5为电镀工艺中的步骤，由于牺牲层4不是金属材料，因此若采用电镀的方式加工成型导电支撑台3，则需要在牺牲层4上沉积电镀层5。根据实际情况和具体需求，该电镀层5还可以为生长层，采用可以采用其他方式加工成型为导电支撑台3，此处不作唯一限定。

S5，采用电镀工艺在电镀层5上电镀生长导电支撑台3，导电支撑台3的厚度一般为1至100nm，且导电支撑台3的材料可以与电镀层5的材料一致，也可以不与电镀层5的材料一致，且由于部分电镀层5直接设置在超滑片2上，因此可以实现导电支撑台3和超滑片2之间的导电接触。

S5,去除牺牲层4，即成型为超滑元件。其中，牺牲层4的去除方法一般为湿法刻蚀，即采用刻蚀液将牺牲层4洗除，可以直接将整个超滑元件浸泡于刻蚀液中将牺牲层4去除，也可以从超滑元件的外侧注入刻蚀液，依次从外至内进行刻蚀。

优选地，在除所述牺牲层4时，在所述导电支撑台3上开设若干个通孔33，刻蚀液经所述通孔33刻蚀所述牺牲层4，此时能够加快刻蚀的速度，且能够使得牺牲层4去除的更加完全。

优选地，通孔33环设在所述超滑片2的外侧，能够保证超滑片2的周围的牺牲层4能够完全的去除，避免牺牲层4在超滑片2的外侧具有残留，从而影响整个超滑元件的超滑性能。

采用电镀工艺在超滑片2上加工成型导电支撑台3，其不仅具有较好的电学性能，且整个超滑元件的加工效率更高，超滑元件的成型率也比较高，能够适用于大规模的加工和生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.具有导电性能的大尺度超滑元件的加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：

将至少一个超滑片(2)转移至具有原子级平整表面的基底(1)上；在所述基底(1)和所述超滑片(2)上沉积牺牲层(4)，所述牺牲层(4)的厚度为1至50nm，在所述牺牲层(4)上加工出凹槽，所述凹槽位于所述超滑片(2)的上方；

在所述牺牲层(4)上沉积电镀层(5)；在所述电镀层(5)上采用电镀工艺成型为导电支撑台(3)，所述导电支撑台(3)包括第一连接部(31)和第二连接部(32)，所述第一连接部(31)位于所述超滑片(2)上，且与所述超滑片(2)导电连接，所述第一连接部(31)由所述第二连接部(32)相连接，所述第二连接部(32)的下表面高于所述超滑片(2)的下表面，所述第二连接部(32)的下表面低于所述第一连接部(31)的下表面，且所述导电支撑台(3)与所述超滑片(2)导电接触连接；

在所述导电支撑台(3)上开设若干个通孔(33)，所述通孔(33)环设于所述超滑片(2)的外侧，刻蚀液经所述通孔(33)刻蚀去除所述牺牲层(4)，成型为超滑元件。

2.如权利要求1所述的具有导电性能的大尺度超滑元件的加工工艺，其特征在于：所述凹槽位于所述超滑片(2)的正上方。

3.如权利要求2所述的具有导电性能的大尺度超滑元件的加工工艺，其特征在于：所述凹槽的横截面面积小于所述超滑片(2)的横截面面积。

4.如权利要求1所述的具有导电性能的大尺度超滑元件的加工工艺，其特征在于：所述牺牲层(4)的厚度为1至10nm。

5.一种采用如权利要求1至4任一项所述的加工工艺制备的具有导电性能的大尺度超滑元件，其特征在于：包括至少两个超滑片(2)和设于所述超滑片(2)上的导电支撑台(3)，所述超滑片(2)的下表面均为超滑面，且所述导电支撑台(3)位于所述超滑片(2)的顶部，相邻的所述超滑片(2)通过所述导电支撑台(3)相连接，所述导电支撑台(3)包括第一连接部(31)和第二连接部(32)，所述第一连接部(31)位于所述超滑片(2)上，且与所述超滑片(2)导电连接，所述第一连接部(31)由所述第二连接部(32)相连接，所述第二连接部(32)的下表面高于所述超滑片(2)的下表面，所述第二连接部(32)的下表面低于所述第一连接部(31)的下表面，所述导电支撑台(3)与所述超滑片(2)导电接触并固定连接，且所有所述超滑片(2)远离所述导电支撑台(3)的表面组合为超滑面，且所述第二连接部(32)和基底(1)之间的间隙为1至50nm；

所述导电支撑台(3)上开设有若干个通孔(33)，所述通孔(33)的孔径小于所述超滑片(2)的面，且所述通孔(33)环设于所述超滑片(2)的外侧。

6.如权利要求5所述的具有导电性能的大尺度超滑元件，其特征在于：所述间隙为1至10nm。

7.如权利要求5所述的具有导电性能的大尺度超滑元件，其特征在于：所述导电支撑台(3)采用金属材料制成。

8.具有导电性能的大尺度超滑系统，其特征在于：包括基底(1)和如权利要求5至7任一项所述的超滑元件，所述超滑元件设于所述基底(1)上，所述基底(1)与所述超滑元件的接触面为原子级平整表面，所述超滑面与所述基底(1)超滑接触。

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