TW201718394A - 三維有序多孔微結構製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明主要係於一基板表面沉積並自組裝形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構；接著，將充填材料充填於孔洞結構之縫隙，待充填材料硬化定型後將粒子移除，即可完成連續性佳、高再現性的三維有序多孔微結構。
Description
本發明係有關一種三維有序多孔微結構製造技術，旨在提供一種可有效縮短加工時間，且所完成之三維有序多孔微結構具有連續性佳、高再現性等特性的三維有序多孔微結構製造方法。
按，多孔性材料中的孔洞若其孔徑接近光波長且若具有高度的排列秩序則該多孔洞材質擁有特殊且高實用性的光學性質，可廣泛應用於光催化、生物載體、吸附、過濾、絕緣、半導體以及微量感應等領域。
有序多孔微結構由於具有特定的物理結構，因此可使光波在物質中的電磁特性加以改變，可使得電磁波在此具有高度排列秩序的材料中之行為將有如電子在晶體中般可被介質的空間結構、排列週期、結構形式以及介電常數所控制，因此不需要改變介質本身的化學結構，僅需在介質的波長尺度以及光子能隙進行設計便可製造出具有不同光特性的產物，此種新式的人工晶體稱為光子晶體(photonic crystal)，被視為非常具有潛力的新一代光電材料。
有序多孔微結構的基本架構為在一維、二維、或三維上具有週期性排列的介質所組成，其中一維的架構即是一般所謂的光學多層膜，它
被廣泛用在光學鏡片上，由週期排列的多層介質膜造成一維的光子能隙，使某些波段的光子無法穿越，達成高效率的反射。具有二維、三維的週期性排列結構則是目前最受到重視的有序多孔微結構。
已知，能夠以自組裝模式製造三維有序多孔微結構，其主要係採用均一粒徑的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化矽等將粒子利用自然、離心、真空抽氣過濾法等方式將粒子於一基板上自組裝形成孔洞結構，再以其表面具有孔洞結構的基板為模板，於該模板上添加無機氧烷單體使其進行溶膠凝膠反應，最後利用鍛燒與萃取等方式將基板移除，即可生成具有光子晶體性質之三維有序多孔微結構。
然而，上揭習知用以在基板表面形成製作孔洞結構之方法不但需耗費數日，難以達到大量生產的規模，且所完成之孔洞結構普遍出現粒子排列鬆散之現象，導致後續所完成之成品連續性及再現性較差，可完成之三維有序多孔微結構尺寸相對受限。
因此，如何能夠以相對較少的時間製作孔洞結構，且如何讓所完成之製作孔洞結構之粒子排列效果更為緊密、可靠，使可藉以有效縮短加工時間，並且製作連續性佳、高再現性以及大面積的三維有序多孔微結構，一直是產業界及學術界所亟欲解決之課題。
有鑑於此，本發明即在提供一種可有效縮短加工時間，且所完成之三維有序多孔微結構具有連續性佳、高再現性等特性的三維有序多孔微結構製造方法，為其主要目的者。
本發明所揭露之三維有序多孔微結構製造方法，基本上具有下列兩種主要施作方式：本發明第一種施作方式之三維有序多孔微結構製造方法，基本上包括下列步驟：a.提供一基板；b.建構孔洞結構，於該基板之表面形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構；c.建構一犧牲層，係將犧牲材料充填於該孔洞結構與該基板之間的縫隙至預先設定之高度，使於該基板之表面與該孔洞結構之間形成一具預先設定厚度的犧牲層；d.填覆孔洞結構將充填材料填覆於該孔洞結構之縫隙至預先設定之高度；e.移除孔洞結構，待充填材料硬化定型後將孔洞結構之全數粒子移除；完成上述a~e之步驟，即可獲得位在該基板之表面之犧牲層上方，具有光子晶體性質且連續性佳、高再現性的三維有序多孔微結構。
依據上述技術特徵，所述建構孔洞結構之步驟中，係將該基板置入一懸浮液中，該懸浮液中含有多數均勻懸浮、分散於該懸浮液中的粒子，且提供垂直作用於該基板之表面的附著電場，使該懸浮液中的粒子沈積於該基板之表面，於該附著電場作用預先設定之時間後，將該表面已沉積有預先厚度之粒子的基板自該懸浮液中移出，且在該基板之表面之粒子之間尚具備移動條件之狀態下，於該基板外圍提供作用於該基板的塑形電場，由該塑形電場驅動該基板之表面所沉積之粒子移動至不具備移動條件之最緊密狀態，即可於該基板之表面形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構。
本發明第二種施作方式之三維有序多孔微結構製造方法，基本上包括下列步驟：a.提供一基板；b.建構一犧牲層，於該基板之犧牲層表面
形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構；d.填覆孔洞結構將充填材料填覆於該孔洞結構之縫隙至預先設定之高度；e.移除孔洞結構，待充填材料硬化定型後將孔洞結構之全數粒子移除；完成上述a~e之步驟，即可獲得位在該基板之犧牲層表面，具有光子晶體性質且連續性佳、高再現性的三維有序多孔微結構。
依據上述技術特徵，所述建構孔洞結構之步驟中，係將該基板置入一懸浮液中，該懸浮液中含有多數均勻懸浮、分散於該懸浮液中的粒子，且提供垂直作用於該基板之離型層表面的附著電場，使該懸浮液中的粒子沈積於該基板之離型層表面，於該附著電場作用預先設定之時間後，將該已於離型層表面沉積有預先厚度之粒子的基板自該懸浮液中移出，且在該基板之離型層表面之粒子之間尚具備移動條件之狀態下，於該基板外圍提供作用於該基板的塑形電場，由該塑形電場驅動該基板之離型層表面所沉積之粒子移動至不具備移動條件之最緊密狀態，即可於該基板之離型層表面形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構。
依據上述技術特徵，所述該三維有序多孔微結構製造方法，係在建構孔洞結構之前，預先於該基板之表面設有供限制粒子沉積區域的圖案。
所述該三維有序多孔微結構製造方法，係在建構孔洞結構步驟中，將該基板直立放置於該懸浮液的狀態下提供附著電場。
所述該三維有序多孔微結構製造方法，係在建構孔洞結構步驟中，將該基板水平放置的狀態下提供塑形電場。
所述該犧牲層係為氧化物、高分子及金屬。
所述該充填材料係為金屬、金屬氧化物或為高分子聚合物。
所述該犧牲層以及充填材料具有物理性質差異或化學性質差異。
依據上述技術特徵，所述孔洞結構係至少部分有序堆疊排列。
依據上述技術特徵，所述三維有序多孔微結構製造方法進一步包含移除犧牲層之步驟，其中移除犧牲層之步驟係在移除孔洞結構之前或移除孔洞結構之後進行。
依據上述技術特徵，所述三維有序多孔微結構製造方法，係在建構孔洞結構之前，預先於該犧牲層表面設有供限制粒子沉積區域的圖案。
具體而言，本發明所揭露之三維有序多孔微結構製造方法，主要在建構孔洞結構之步驟中，於一基板表面沉積並自組裝形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構，由該基板作為模板，並利用一犧牲層使其形成無基板支撐的結構，以製作具有連續性佳、高再現性、大面積等特性的三維有序多孔微結構。
10‧‧‧孔洞結構
11‧‧‧粒子
12‧‧‧縫隙
20‧‧‧懸浮液
30‧‧‧基板
40‧‧‧犧牲層
41‧‧‧犧牲材料
50‧‧‧三維有序多孔微結構
51‧‧‧充填材料
52‧‧‧塑形電場產生器
第1圖係為本發明第一實施例之三維有序多孔微結構製造方法基本流程圖。
第2圖係為本發明第一實施例之三維有序多孔微結構製造方法在懸浮液中提供作用於基板之附著電場時之粒子沉積狀態示意圖。
第3圖係為本發明第一實施例之三維有序多孔微結構製造方法在提供作用於基板之塑形電場時之粒子自組裝狀態示意圖。
第4圖係為本發明第一實施例之三維有序多孔微結構製造方法在建構一犧牲層步驟之狀態示意圖。
第5圖係為本發明第一實施例之三維有序多孔微結構製造方法在填覆孔洞結構步驟之狀態示意圖。
第6圖係為本發明第一實施例之三維有序多孔微結構製造方法在移除孔洞結構步驟之狀態示意圖。
第7圖係為本發明第二實施例之三維有序多孔微結構製造方法基本流程圖。
第8圖係為本發明第二實施例之三維有序多孔微結構製造方法在建構一犧牲層步驟之狀態示意圖。
第9圖係為本發明第二實施例之三維有序多孔微結構製造方法在懸浮液中提供作用於基板之附著電場時之粒子沉積狀態示意圖。
第10圖係為本發明第二實施例之三維有序多孔微結構製造方法在提供作用於基板之塑形電場時之粒子自組裝狀態示意圖。
第11圖係為本發明第二實施例之三維有序多孔微結構製造方法在填覆孔洞結構步驟之狀態示意圖。
第12圖係為本發明第二實施例之三維有序多孔微結構製造方法在移除孔洞結構步驟之狀態示意圖。
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孔洞結構，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孔洞結構，但不限於此。需注意者，以孔洞結構為例，以孔洞結構為模版所製作之反孔洞結構結構亦可視為一三維有序微結構。
本發明主要提供一種可有效縮短加工時間，且所完成之三維有序多孔微結構具有連續性佳、高再現性等特性的三維有序多孔微結構製造方法，如第1圖所示，本發明第一種施作方式之三維有序多孔微結構製造方法，基本上包括：a.提供一基板、b.建構孔洞結構、c.建構一犧牲層、d.填覆孔洞結構、e.移除孔洞結構等步驟，請同時配合參照第1圖至第5圖所示；其中：在建構孔洞結構之步驟中，將該基板30置入一懸浮液20中，該懸浮液20中含有多數均勻懸浮、分散於該懸浮液中的粒子11，且提供垂直作用於該基板30之表面的附著電場(如第2圖所示)，使該懸浮液20中的粒子11以較快的速度沈積於該基板30之表面，於該附著電場作用預先設定之時間後，將該表面已沉積有預先厚度之粒子11的基板30自該懸浮液20中移出，且在該基板30之表面之粒子之間尚具備移動條件之狀態下，於該基板30外圍提供作用於該基板30的塑形電場(如第3圖所示)，由該塑形電場驅動該基板30之表面所沉積之粒子11移動至不具備移動條件之最緊密狀態，即可於該基板30之表面形成由多數粒子11呈六方堆疊的孔洞結構10，其中，該孔洞結構(10)係至少部分有序堆疊排列。
在建構一犧牲層之步驟中，係將犧牲材料41充填於該孔洞結構10與該基板30之間的縫隙12至預先設定之高度(如第4圖所示)，使於該基板30之表面與該孔洞結構10之間形成一具預先設定厚度的犧牲層40；於實
施時，該犧牲層40係可以為氧化物、高分子及金屬等，而犧牲材料41的充填方式可以為濺鍍、電鍍、化學氣相沉積、原子層沉積等。
在填覆孔洞結構之步驟中，係將充填材料51填覆於該孔洞結構10之縫隙12至預先設定之高度(如第5圖所示)；於實施時，該充填材料51係可以為金屬(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，且犧牲材料以及充填材料具有物理性質差異或化學性質差異，例如熔點、酸鹼可溶性等；而充填材料51的填覆方式可以為濺鍍、電鍍、化學氣相沉積、原子層沉積等。
在移除孔洞結構之步驟中，待充填材料51硬化定型後將孔洞結構10之全數粒子11移除(如第6圖所示)，其中移除方式可以為化學移除法、高溫移除法等；在上揭第1圖至第6圖所示之實施例中，完成上述a~e之步驟，即可獲得位在該基板30之表面之犧牲層40上方，具有光子晶體性質且連續性佳、高再現性的三維有序多孔微結構50。
於使用時，只需將犧牲層40移除即可將三維有序多孔微結構50與基板30脫離，以便直接將三維有序多孔微結構50應用需的領域，其中移除犧牲層40之步驟係在移除孔洞結構10之前或移除孔洞結構10之後進行均可；抑或是，將其他晶體材料填入三維有序多孔微結構之孔洞中，待晶體材料硬化定型後，再將三維有序多孔微結構移除，即可進一步製造具備預先設定功能的三維有序微結構。
尤其，在建構孔洞結構之步驟中，可由附著電場與粒子之間的作用力，令粒子快能夠以較快的速度沈積於基板表面，以及在後續塑形電場之作用下，令沈積基板表面之粒子彼此推擠並自組裝形成由多數粒子呈
六方堆疊的孔洞結構；俾可有效縮短整體三維有序多孔微結構之製作時間，以及獲致具有連續性佳、高再現性等特性的三維有序多孔微結構，甚至有利於製作大面積之三維有序多孔微結構。
再者，本發明之三維有序多孔微結構製造方法，在建構孔洞結構之前，係可預先於該基板之表面設有供限制粒子沉積區域的圖案；以及，在建構孔洞結構步驟中，係可將該基板直立放置於該懸浮液的狀態下提供附著電場；在建構孔洞結構步驟中，則可將該基板水平放置的狀態下提供塑形電場。
如第7圖所示，本發明第二種施作方式之三維有序多孔微結構製造方法，基本上包括：a.提供一基板、b.建構一犧牲層、c.建構孔洞結構、d.填覆孔洞結構、e.移除孔洞結構等步驟，請同時配合參照第7圖至第12圖所示；其中：在建構一犧牲層之步驟中，係於該基板30其中一表面設有一預先設定厚度的犧牲層40(如第8圖所示)；於實施時，該犧牲層40係可以為氧化物、高分子及金屬等，而犧牲層40的建構方式可以為濺鍍、電鍍、化學氣相沉積、原子層沉積等。
在建構孔洞結構之步驟中，係將該基板30置入一懸浮液20中，該懸浮液20中含有多數均勻懸浮、分散於該懸浮液中的粒子11，且提供垂直作用於該基板30之犧牲層40表面的附著電場(如第9圖所示)，使該懸浮液20中的粒子11沈積於該基板30之犧牲層40表面，於該附著電場作用預先設定之時間後，將該已於犧牲層40表面沉積有預先厚度之粒子11的基板30自該懸浮液20中移出，且在該基板30之犧牲層40表面之粒子11之間尚具備移
動條件之狀態下，於該基板30外圍提供作用於該基板30的塑形電場(如第10圖所示)，由該塑形電場驅動該基板30之犧牲層40表面所沉積之粒子11移動至不具備移動條件之最緊密狀態，即可於該基板30之犧牲層40表面形成由多數粒子11呈六方堆疊的孔洞結構10。
在填覆孔洞結構之步驟中，係將充填材料51填覆於該孔洞結構10之縫隙12至預先設定之高度(如第11圖所示)；同樣的，該充填材料51係可以為金屬(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。
在移除孔洞結構之步驟中，待充填材料51硬化定型後將孔洞結構10之全數粒子11移除(如第12圖所示)，其中移除方式可以為化學移除法、高溫移除法等；在上揭第7圖至第12圖所示之實施例中，完成上述a~e之步驟，即可獲得位在該基板30之犧牲層40表面，具有光子晶體性質且連續性佳、高再現性的三維有序多孔微結構50。
同樣的，只需將犧牲層40移除即可將三維有序多孔微結構50與基板30脫離，以便直接將三維有序多孔微結構50應用需的領域；抑或是，將其他晶體材料填入三維有序多孔微結構之孔洞中，待晶體材料硬化定型後，再將三維有序多孔微結構移除，即可進一步製造具備預先設定功能的三維有序微結構。
在本實施例中，同樣可在建構孔洞結構之前，預先於該基板之表面設有供限制粒子沉積區域的圖案，抑或者可在建構孔洞結構之前，預先於該犧牲層表面設有供限制粒子沉積區域的圖案；以及，在建構孔洞結
構步驟中，係可將該基板直立放置於該懸浮液的狀態下提供附著電場；在建構孔洞結構步驟中，則可將該基板水平放置的狀態下提供塑形電場。
另外，上述第一種施作方式及第二種施作方式中建構孔洞結構之步驟，亦可利用自然重力沉降、離心、真空抽氣過濾法或電泳等其中一種方式於該基板表面形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構。
與傳統習用結構相較，本發明所揭露之三維有序多孔微結構製造方法，主要在建構孔洞結構之步驟中，可由附著電場與粒子之間的作用力，令粒子快能夠以較快的速度沈積於基板表面，以及在後續塑形電場之作用下，令沈積基板表面之粒子彼此推擠並自組裝形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構。俾可有效縮短整體三維有序多孔微結構之製作時間，以及有助於獲致具有連續性佳、高再現性、大面積等特性的三維有序多孔微結構；甚至，有助於進一步利用所完成之三維有序多孔微結構，製作粒子排列效果相對較更緊密、可靠的三維有序微結構。
以上所述之實施例僅係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。
Claims (14)
- 一種三維有序多孔微結構製造方法，基本上包括下列步驟：a.提供一基板(30)；b.建構一孔洞結構(10)，於該基板(30)之表面形成由多數粒子(11)呈六方堆疊的孔洞結構(10)；c.建構一犧牲層(40)，係將犧牲材料(41)充填於該孔洞結構(10)與該基板(30)之間的縫隙(12)至預先設定之高度，使於該基板(30)之表面與該孔洞結構(10)之間形成一具預先設定厚度的犧牲層(40)；d.填覆孔洞結構，將充填材料(51)填覆於該孔洞結構(10)之縫隙(12)至預先設定之高度；e.移除孔洞結構(10)，待充填材料(51)硬化定型後將孔洞結構(10)之全數粒子(11)移除；完成上述a~e之步驟，即可獲得位在該基板(30)之表面之犧牲層(40)上方，連續性佳、高再現性的三維有序多孔微結構(50)。
- 如請求項1所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該建構孔洞結構(10)之步驟中，係將該基板(30)置入一懸浮液(20)中，該懸浮液(30)中含有多數均勻懸浮、分散於該懸浮液(20)中的粒子(11)，且提供垂直作用於該基板(30)之表面的附著電場，使該懸浮液(20)中的粒子(11)沈積於該基板(30)之表面，於該附著電場作用預先設定之時間後，將該表面已沉積有預先厚度之粒子(11)的基板(30)自該懸浮液(20)中移出，且在該基板(30)之表面之粒子(11)之間尚具備移動條件之狀態下，於該基板(30)外圍提供作用於該基板(30)的塑形電場，由該塑形電場驅動該基板(30)之表面所沉 積之粒子(11)移動至不具備移動條件之最緊密狀態，即可於該基板(30)之表面形成由多數粒子(11)呈六方堆疊的孔洞結構(10)。
- 一種三維有序多孔微結構製造方法，基本上包括下列步驟：a.提供一基板(30)；b.建構一犧牲層(40)，係於該基板(30)其中一表面設有一預先設定厚度的犧牲層(40)；c.建構孔洞結構(10)，於該基板(30)之犧牲層(40)表面形成由多數粒子(11)呈六方堆疊的孔洞結構(10)；d.填覆孔洞結構將充填材料(51)填覆於該孔洞結構(10)之縫隙(12)至預先設定之高度；e.移除孔洞結構(10)，待充填材料(51)硬化定型後將孔洞結構(10)之全數粒子(11)移除；完成上述a~e之步驟，即可獲得位在該基板(30)之犧牲層(40)表面，連續性佳、高再現性的三維有序多孔微結構(50)。
- 如請求項3所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該建構孔洞結構(10)之步驟中，係將該基板(30)置入一懸浮液(20)中，該懸浮液(20)中含有多數均勻懸浮、分散於該懸浮液中的粒子(11)，且提供垂直作用於該基板(30)之離型層(31)表面的附著電場，使該懸浮液(20)中的粒子(20)沈積於該基板(30)之離型層(31)表面，於該附著電場作用預先設定之時間後，將該已於離型層(31)表面沉積有預先厚度之粒子(11)的基板(30)自該懸浮液(20)中移出，且在該基板(30)之離型層(31)表面之粒子(11)之間尚具備移動條件之狀態下，於該基板(30)外圍提供作用於該基板(30)的塑形電場， 由該塑形電場驅動該基板(30)之離型層(31)表面所沉積之粒子(11)移動至不具備移動條件之最緊密狀態，即可於該基板(30)之離型層(31)表面形成由多數粒子(11)呈六方堆疊的孔洞結構(10)。
- 如請求項1至4任一項所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該三維有序多孔微結構製造方法，係在建構孔洞結構(10)之前，預先於該基板(30)之表面設有供限制粒子(11)沉積區域的圖案。
- 如請求項1至4任一項所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該三維有序多孔微結構製造方法，係在建構孔洞結構(10)步驟中，將該基板(30)直立放置於該懸浮液(20)的狀態下提供附著電場。
- 如請求項1至4任一項所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該三維有序多孔微結構製造方法，係在建構孔洞結構(10)步驟中，將該基板(30)水平放置的狀態下提供塑形電場。
- 如請求項1至4任一項所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該犧牲層(40)係為氧化物、高分子及金屬。
- 如請求項1至4任一項所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該充填材料(51)係為金屬、金屬氧化物或為高分子聚合物。
- 如請求項1至4任一項所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該犧牲層(40)以及充填材料(51)具有物理性質差異或化學性質差異。
- 如請求項1至4任一項所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該孔洞結構(10)係至少部分有序堆疊排列。
- 如請求項1至4任一項所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該三維有序多孔微結構製造方法進一步包含移除犧牲層(40)之步驟，其中移除犧牲層(40)之步驟係在移除孔洞結構(10)之前或移除孔洞結構(10)之後進行。
- 如請求項3或4所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該三維有序多孔微結構製造方法，係在建構孔洞結構(10)之前，預先於該犧牲層(40)表面設有供限制粒子(11)沉積區域的圖案。
- 如請求項1或3所述之三維有序多孔微結構製造方法，其中，該建構孔洞結構係利用自然重力沉降、離心、真空抽氣過濾法或電泳其中一方式於該基板表面形成由多數粒子呈六方堆疊的孔洞結構。
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| US7705458B2 (en) * | 2006-06-20 | 2010-04-27 | Intel Corporation | Bulk metallic glass solders, foamed bulk metallic glass solders, foamed-solder bond pads in chip packages, methods of assembling same, and systems containing same |
-
2015
- 2015-11-28 TW TW104139850A patent/TWI613147B/zh active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI664015B (zh) * | 2017-08-17 | 2019-07-01 | 台灣創新材料股份有限公司 | 三維有序多孔微結構的製造方法以及由此方法所製成的整體柱 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| TWI613147B (zh) | 2018-02-01 |
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