TW201544638A - 三維有序微結構之製造方法以及自組裝粒子之裝置 - Google Patents

Abstract

一種三維有序微結構之製造方法包含：沈積多個粒子於一基板之一沈積表面；以沈積表面朝上平放基板；以及提供一第一重組電場以及一第二重組電場施加於基板，以驅動多個粒子自組裝以形成一三維有序微結構，其中第一重組電場之電場方向是從基板之四周朝向基板，第二重組電場之電場方向是從基板之沈積表面側朝向基板。依據上述製造方法可製作出連續性佳、高再現性且大面積之三維有序微結構。同時亦揭露一種應用於上述製造方法之自組裝粒子之裝置。

Description

三維有序微結構之製造方法以及自組裝粒子之裝置

本發明是有關一種微結構之製造方法以及裝置，特別是一種三維有序微結構之製造方法以及自組裝粒子之裝置。

自然界中之蛋白石(opal)是由二氧化矽球形顆粒堆積而成。二氧化矽顆粒本身並不具有顏色，然而蛋白石仍可藉由有序微結構之特性形成多彩之外觀，因此，三維有序微結構即引起人們的興趣，並研究三維有序微結構之製作方法。

習知三維有序微結構之製作方法包含重力沈降法、溶液蒸發法、電泳法或塗佈法等。然而，重力沈降法以及溶液蒸發法製作三維有序微結構需耗費數日，難以達到大量生產的規模。此外，製作之面積過小(小於1×1 cm)，亦無法達到實質上的商品化應用。而電泳法雖具備較佳的生產效率，但影響粒子自組裝行為的變數較多，因此難以有效控制製程參數以得到連續性佳、高再現性以及大面積之三維有序微結構。同樣的，塗佈法亦無法有效降低缺陷量而難以得到連續性佳、高再現性以及大面積之三維有序微結構。

綜上所述，如何製作連續性佳、高再現性以及大面積之三維有序微結構一直是目前極需努力的目標。

本發明提供一種三維有序微結構之製造方法以及自組裝粒子之裝置，其是利用適當之電場驅動已沈積於基板之粒子進行自組裝，以得到連續性佳且大面積之三維有序微結構。

本發明一實施例之三維有序微結構之製造方法包含：沈積多個粒子於一基板之一沈積表面；以沈積表面朝上平放基板；以及提供一第一重組電場以及一第二重組電場施加於基板，以驅動多個粒子自組裝以形成一三維有序微結構，其中第一重組電場之電場方向是從基板之四周朝向基板，第二重組電場之電場方向是從基板之沈積表面側朝向基板。

本發明另一實施例之自組裝粒子之裝置用以驅動多個粒子自組裝以形成一三維有序微結構，其包含：一工作區、一第一電場產生器以及一第二電場產生器。工作區用以容置一基板，其中基板是以一沈積表面朝上平放於工作區，且基板之沈積表面沈積多個粒子。第一電場產生器用以產生一第一重組電場並施加於基板，其中第一重組電場之電場方向是從基板之四周朝向基板。第二電場產生器用以產生一第二重組電場並施加於基板，其中第二重組電場之電場方向是從基板之沈積表面側朝向基板。

本發明又一實施例之無支撐之三維有序大孔結構是由人為製作而成。無支撐之三維有序大孔結構包含一主體，其具有多個有序排列的孔洞，且每一孔洞與相鄰之孔洞彼此相通，以形成一三維有序大孔結構，其中主體之材料為金屬、金屬氧化物或高分子聚合物。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

三維有序微結構是指將組成之顆粒進行有序的三維排列所獲得之微結構。在特定的情況下，三維有序微結構可等同於膠體晶體(colloidal crystal)，例如，組成微結構之顆粒具有高度均一的大小、形狀、化學組成、內部結構或表面性質等。因此，本發明所揭露之製造方法可應用於製作膠體晶體，但不限於此。需注意者，以膠體晶體為例，以膠體晶體為模版所製作之反膠體晶體結構亦可視為一三維有序微結構。

請參照圖1，以說明本發明之一實施例之三維有序微結構之製造方法。首先，沈積多個粒子於一基板之一沈積表面(S10)。舉例而言，利用習知之重力沈降法、溶液蒸發法、電泳法或塗佈法即可將粒子沈積於一基板表面。請參照圖2，以電泳法說明沈積粒子於基板表面之步驟。於一實施例中，粒子11可為粒徑大小均一之二氧化矽顆粒或聚合物顆粒，例如聚苯乙烯，但不限於此。於一實施例中，粒子11之粒徑介於1nm至1000nm。將一基板10以直立方式設置於一電泳槽20中，電泳槽20中具有包含粒子之電泳懸浮溶液201。接著，以一沈積電場產生器21產生一電場方向朝向基板10之沈積電場211施加於基板10，即可驅動電泳懸浮溶液201之多個粒子11沈積於基板10之沈積表面101。舉例而言，沈積電場211之電場方向垂直基板10之沈積表面101。於圖2所示之實施例中，基板10是以直立方式設置於一電泳槽20中，需注意者，直立方式並不限於垂直，基板10與電泳懸浮溶液201之液面為其它角度之夾角亦不脫離本發明之範圍。或者，基板10亦能夠以水平方式設置於電泳槽20中進行粒子之沈積。另需注意者，沈積粒子於基板之步驟並不要求粒子11有序地排列於基板10之沈積表面101，因此，粒子11能夠以較快的速度沈積於基板10。可以理解的是，沈積於基板之粒子較為有序地排列有利於後續粒子自組裝的過程。

請再參照圖1，接著，將基板10以沈積表面101朝上平放(S12)。最後，提供一第一重組電場以及一第二重組電場施加於基板，以驅動多個粒子自組裝以形成一三維有序微結構(S14)。請參照圖3，於一實施例中，基板10以沈積表面101朝上平放於一自組裝粒子之裝置之工作區。接著，以一第一電場產生器31產生一第一重組電場311以及一第二電場產生器32產生一第二重組電場321施加於基板10以驅動多個粒子自組裝。於一實施例中，第一重組電場311之電場方向是從基板之四周側面朝向基板10，第二重組電場321之電場方向則是從基板10之沈積表面101側朝向基板10。沈積基板10之粒子11受到第一重組電場311以及第二重組電場321的作用而彼此推擠並自組裝形成一最密堆積之三維有序微結構40或膠體晶體。於一實施例中，三維有序微結構40為一蛋白石結構。可以理解的是，在粒子自組裝的過程中，基板上之粒子必須保持一定程度的移動性。舉例而言，維持基板上之粒子的濕潤度或控制乾燥的速度，以避免粒子失去移動性。

需注意者，圖3所示之實施例中，是在基板10之左右兩側分別繪製一第一電場產生器31。然而，第一重組電場311能夠以多個設置於基板10四周之第一電場產生器31產生或是以環繞基板10四周之單一第一電場產生器31產生。此外，第一電場產生器31以及第二電場產生器32亦可整合為單一電場產生器。舉例而言，以一半球型電極設置於基板之沈積表面側，而另一電極則設置於基板端，如此即可產生朝向基板之第一重組電場以及第二重組電場。因此，以單一電場或多個電場之電場方向涵蓋第一重組電場311以及第二重組電場321之電場方向皆不脫離本發明之範圍。

於一實施例中，第一電場產生器31以及第二電場產生器32可電性連接至一控制器33。控制器33可程式化控制第一電場產生器31以及第二電場產生器32所產生之第一重組電場311以及第二重組電場321至少其中之一。舉例而言，控制器33可控制第一電場產生器31以及第二電場產生器32至少其一所產生之電場為脈衝式電場。較佳者，控制器33不僅控制第一電場產生器31以及第二電場產生器32至少其一所產生之電場為脈衝式電場，更切換其電場方向為正向以及反向，例如週期性切換為正向或反向電場。為了易於說明，在此定義圖3所示之電場方向為正向電場方向。脈衝式電場以及切換正/反向電場可產生類似輕敲容器使容器內之彈珠形成最密堆積的效果。

需注意者，圖1所示之實施例不僅能夠批式實施，亦能夠連續式實施。舉例而言，在基板10從圖2所示之直立狀態改為圖3所示之平放狀態時，亦可提供第一重組電場311以及第二重組電場321施加於基板，以維持粒子11於基板10之沈積表面101。簡言之，藉由第一重組電場311以及第二重組電場321的作用力，在基板移動的過程中仍能使粒子集中於預定區域避免散開，如此，即有利於以連續式製作三維有序微結構。

依據本發明之三維有序微結構之製造方法，藉由粒子自組裝的過程可形成無缺陷、連續性佳、高再現性之三維有序微結構，且製作面積可達1 cm× 1 cm以上，較佳者，10 cm × 10 cm以上。因此，本發明之製造方法所製作之三維有序微結構可為良好之模版以作為後續應用之基礎，例如製作一反蛋白石結構。需注意者，三維有序微結構不以正方形為限，矩形、多角形或圓形等亦不脫離本發明之範圍。

請參照圖4，說明本發明之製造方法所製作之三維有序微結構之應用實施例。首先，提供依據圖1所示之製造方法所製作之一三維有序微結構作為一模版(S41)，如圖5所示。接著，充填一第一充填材料13於三維有序微結構40之空隙(S42)，亦即粒子11間之空隙，如圖6所示。舉例而言，可將圖5所示之模版置於一充填槽(未圖示)中進行一電鍍或化學沈積等程序，以使第一充填材料13充填於三維有序微結構40之空隙。於一實施例中，第一充填材料可為金屬(例如金、銀、銅、鎳等)、金屬氧化物(例如氧化鋅)或為高分子聚合物。

於一實施例中，基10板可包含一離型層(release layer)12，且三維有序微結構40形成於離型層12上，如圖5所示。由於第一充填材料可提供黏著劑之效果，因此，移除基板10(S43)即可形成無支撐(free standing)之三維有序微結構40，如圖7所示。需注意者，圖7仍繪有離型層12，可以理解的是，離型層12亦可隨著基板10剝離。

請再參照圖4，於一實施例中，移除三維有序微結構中之多個粒子11，即可形成無支撐之一三維有序大孔(Macroporous)結構50 (S44)，如圖8所示。以此實施例而言，三維有序大孔結構50為一反蛋白石結構。需注意者，三維有序大孔結構50可視為另一型式之一三維有序微結構。可以理解的是，三維有序大孔結構50中粒子11原本佔據位置形成一較大孔洞110，粒子11之間接觸的位置則形成較小的孔洞，且相鄰之較大孔洞可經由較小孔洞彼此相通。此外，選用適當之第一充填材料13，三維有序大孔結構50可具有可撓性。

於一實施例中，若在移除基板的步驟中有離型層12殘留於三維有序微結構時，離型層12可在移除粒子11之過程中一併移除。

於一實施例中，可再充填一第二充填材料14於三維有序大孔結構50中(S45)，亦即第二充填材料14充填於粒子原本佔據的位置，如圖9所示。如前所述，第二充填材料14亦能夠以電鍍或化學沈積的方法充填於三維有序大孔結構50中。於一實施例中，移除第一充填材料13即可形成以第二充填材料14所構成之三維有序微結構60，如圖10所示。可以理解的是，圖10所示之三維有序微結構60相似於圖5所示之三維有序微結構40，其差別主要在於粒子11之位置的材料不同。

需注意者，圖4所示之實施例中，移除基板步驟是在充填第一充填材料之後即加以移除。然而，依據實際之需求，移除基板的步驟可在移除粒子(S44)、充填第二充填材料(S45)或移除第一充填材料(S46)之後執行，或者不移除基板。此外，圖4所示之實施例中，步驟S43至步驟S46為選擇性實施之步驟。

綜合上述，本發明之三維有序微結構之製造方法以及自組裝粒子之裝置是利用適當之電場(例如正向、反向之脈衝式電場)驅動已沈積於基板之粒子進行自組裝，如此能夠以相對較短的製作時間得到無缺陷、連續性佳且大面積之三維有序微結構。此外，依據本發明所製作之三維有序微結構可作為一理想的模版，以轉製出其它型式之大面積三維有序微結構。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

10‧‧‧基板
101‧‧‧沈積表面
11‧‧‧粒子
12‧‧‧離型層
13‧‧‧第一充填材料
14‧‧‧第二充填材料
20‧‧‧電泳槽
201‧‧‧電泳懸浮溶液
21‧‧‧沈積電場產生器
211‧‧‧沈積電場
31‧‧‧第一電場產生器
311‧‧‧第一重組電場
32‧‧‧第二電場產生器
321‧‧‧第二重組電場
33‧‧‧控制器
40‧‧‧三維有序微結構
50‧‧‧三維有序大孔結構
60‧‧‧三維有序微結構
S10~S14‧‧‧本發明製造方法之步驟
S41~S46‧‧‧本發明製造方法之步驟

圖1為一流程圖，顯示本發明一實施例之三維有序微結構之製造方法。 圖2為一示意圖，顯示以電泳法實現圖1所示之步驟S10。 圖3為一示意圖，顯示本發明一實施例之自組裝粒子之裝置。 圖4為一流程圖，顯示本發明另一實施例之三維有序微結構之製造方法。 圖5至圖10為一示意圖，顯示圖4所示步驟之局部結構。

S10~S14‧‧‧本發明製造方法之步驟

Claims (27)

1. 一種三維有序微結構之製造方法，包含： 沈積多個粒子於一基板之一沈積表面； 以該沈積表面朝上平放該基板；以及 提供一第一重組電場以及一第二重組電場施加於該基板，以驅動該多個粒子自組裝以形成一三維有序微結構，其中該第一重組電場之電場方向是從該基板之四周朝向該基板，該第二重組電場之電場方向是從該基板之該沈積表面側朝向該基板。
2. 如請求項1所述之三維有序微結構之製造方法，其中沈積該多個粒子於該基板之該步驟是以重力沈降法、溶液蒸發法、電泳法或塗佈法加以實現。
3. 如請求項1所述之三維有序微結構之製造方法，其中沈積該多個粒子於該基板之該步驟是將該基板以直立方式設置於一電泳槽，並施加一沈積電場於該基板，以驅動該電泳槽中之該多個粒子沈積於該基板之該沈積表面。
4. 如請求項3所述之三維有序微結構之製造方法，其中在平放該基板時，提供該第一重組電場以及該第二重組電場施加於該基板，以維持該粒子於該基板之該沈積表面。
5. 如請求項3所述之三維有序微結構之製造方法，其中該沈積電場之電場方向垂直該基板之該沈積表面。
6. 如請求項1所述之三維有序微結構之製造方法，其中該第一重組電場以及該第二重組電場至少其中之一為一脈衝式電場。
7. 如請求項1所述之三維有序微結構之製造方法，其中該第一重組電場以及該第二重組電場至少其中之一為一脈衝式電場，且電場方向包含正向電場以及反向電場。
8. 如請求項1所述之三維有序微結構之製造方法，更包含： 充填一第一充填材料於該三維有序微結構之空隙。
9. 如請求項8所述之三維有序微結構之製造方法，更包含： 移除該基板。
10. 如請求項8所述之三維有序微結構之製造方法，更包含： 移除該多個粒子，以形成一三維有序大孔(Macroporous)結構。
11. 如請求項10所述之三維有序微結構之製造方法，其中該三維有序大孔結構為一反蛋白石結構。
12. 如請求項10所述之三維有序微結構之製造方法，更包含： 充填一第二充填材料於該三維有序大孔結構。
13. 如請求項12所述之三維有序微結構之製造方法，更包含： 移除該第一充填材料，以形成以該第二充填材料所構成之該三維有序微結構。
14. 如請求項1所述之三維有序微結構之製造方法，其中該基板包含一離型層，且該三維有序微結構形成於該離型層。
15. 如請求項1所述之三維有序微結構之製造方法，其中該三維有序微結構為一蛋白石結構。
16. 如請求項1所述之三維有序微結構之製造方法，其是以連續式實施來製作該三維有序微結構。
17. 一種自組裝粒子之裝置，其用以驅動多個粒子自組裝以形成一三維有序微結構，該裝置包含： 一工作區，用以容置一基板，其中該基板以一沈積表面朝上平放於該工作區，且該基板之該沈積表面沈積多個粒子； 一第一電場產生器，其用以產生一第一重組電場並施加於該基板，其中該第一重組電場之電場方向是從該基板之四周朝向該基板；以及 一第二電場產生器，其用以產生一第二重組電場並施加於該基板，其中該第二重組電場之電場方向是從該基板之該沈積表面側朝向該基板。
18. 如請求項16所述之自組裝粒子之裝置，更包含： 一控制器，其與該第一電場產生器以及該第二電場產生器電性連接，用以程式化控制該第一重組電場以及該第二重組電場至少其中之一。
19. 如請求項17所述之自組裝粒子之裝置，其中該控制器程式化控制該第一重組電場以及該第二重組電場至少其中之一為一脈衝式電場。
20. 如請求項17所述之自組裝粒子之裝置，其中該控制器程式化控制該第一重組電場以及該第二重組電場至少其中之一為一脈衝式電場，且電場方向包含正向電場以及反向電場。
21. 如請求項16所述之自組裝粒子之裝置，更包含： 一電泳槽，其用以使該基板是以直立方式設置於該電泳槽；以及 一沈積電場產生器，其用以產生一沈積電場並施加於該基板，以驅動該電泳槽中之該多個粒子沈積於該基板之該沈積表面。
22. 如請求項16所述之自組裝粒子之裝置，更包含： 一充填槽，其用以充填一第一充填材料於該三維有序微結構之空隙。
23. 如請求項16所述之自組裝粒子之裝置，其中該三維有序微結構為一蛋白石結構。
24. 一種無支撐之三維有序大孔結構，其是由人為製作而成，該三維有序大孔結構包含： 一主體，其具有多個有序排列的孔洞，且每一該孔洞與相鄰之該孔洞彼此相通，以形成一三維有序大孔結構，其中該主體之材料為金屬、金屬氧化物或高分子聚合物。
25. 如請求項23所述之無支撐之三維有序大孔結構，其中該多個孔洞呈最密堆積排列。
26. 如請求項23所述之無支撐之三維有序大孔結構，其中該三維有序大孔結構之任一維度之長度大於1cm。
27. 如請求項23所述之無支撐之三維有序大孔結構，其中該三維有序大孔結構為一反蛋白石結構。