TWI678477B - 可變表面吸附力元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種可變表面吸附力元件，包括基材、加熱層、緩衝層及奈米結構陣列。加熱層形成於基材之一側，加熱層可藉由供電而改變溫度；緩衝層形成於加熱層上；奈米結構陣列形成於緩衝層上，奈米結構陣列以金屬玻璃材料製成，奈米結構陣列包括複數奈米結構，各奈米結構彼此間隔排列而形成有序陣列，且藉由奈米結構陣列可形成複數氣體容置空間。

Description

可變表面吸附力元件及其製造方法
本發明係關於一種可變表面吸附力元件，尤指一種藉由溫度變化而改變表面吸附力之可變表面吸附力元件。本發明還包括該可變表面吸附力元件之製造方法。
近年來，仿生學成為學者及發明家所熱衷之研究標的之一。藉由觀察與分析大自然中生物之身體結構、特徵、行為等，進而將其應用於醫學、材料科學、農業、工程科技等各類領域中，以解決人類生活所遭遇之問題。舉例來說，壁虎之四肢底部具有大量之吸附結構，該些吸附結構為奈米級之絨毛結構，使其能夠自由控制四肢對於牆壁或垂直平面之附著力，以便爬行於牆壁或垂直平面上。若能將此種特性應用於生活中，對於未來人類從事攀爬相關之運動或工作等方面將有所助益。因此，如何能研發出如同壁虎四肢一般具有可變表面吸附力之元件，實為一值得研究之課題。
本發明之目的在於提供一種可變表面吸附力元件，藉由元件本身溫度變化而改變表面吸附力。
為達上述目的，本發明之可變表面吸附力元件包括基材、加熱層、緩衝層及奈米結構陣列。加熱層形成於基材之一側，加熱層可藉由供電而改變溫度；緩衝層形成於加熱層上；奈米結構陣列形成於緩衝層上，奈米結構陣列以金屬玻璃材料製成，奈米結構陣列包括複數奈米結構，各奈米結構彼此間隔排列而形成有序陣列，且藉由奈米結構陣列可形成複數氣體容置空間。
在本發明之一實施例中，加熱層為金屬層，且緩衝層為金屬氧化物層或氮化物層。
在本發明之一實施例中，各奈米結構為中空管狀結構，中空管狀結構之中心軸垂直緩衝層之表面，且中空管狀結構之一端連接緩衝層，另一端則形成開放端。
在本發明之一實施例中，各中空管狀結構之直徑為10nm至100µm之間，且各中空管狀結構之高寬比為1:0.5~1:10之間。
在本發明之一實施例中，各中空管狀結構之管壁厚度與直徑之比為1:10~1:2之間。
在本發明之一實施例中，複數奈米結構之工作比（duty ratio）為0.5~6之間。
在本發明之一實施例中，本發明之可變表面吸附力元件更包括供電單元，供電單元電性連接加熱層，以提供可調整電壓對加熱層供電。
在本發明之一實施例中，可調整電壓介於0.5V~3V之間。
在本發明之一實施例中，奈米結構陣列對物體之表面吸附力隨著可調整電壓之增加而減小。
在本發明之一實施例中，於可調整電壓相同之條件下，奈米結構陣列於升溫過程中對物體之表面吸附力小於奈米結構陣列於降溫過程中對物體之表面吸附力。
在本發明之一實施例中，金屬玻璃材料係選自以下材料所構成群組中之至少一者：鋯基金屬玻璃、鈦基金屬玻璃、鈀基金屬玻璃、鐵基金屬玻璃、銅基金屬玻璃、鎳基金屬玻璃、鋁基金屬玻璃、鎢基金屬玻璃及鎂基金屬玻璃。
本發明之另一目的在於提供一種前述可變表面吸附力元件之製造方法，包括以下步驟：提供一基材；於基材上形成一加熱層；於加熱層上形成一緩衝層；於緩衝層上形成一光阻層，其中光阻層具有一鏤空結構陣列，鏤空結構陣列包括自光阻層之一側貫穿至緩衝層之複數鏤空結構；於光阻層上濺鍍一金屬玻璃材料，且金屬玻璃材料沉積於各鏤空結構之側壁及藉由鏤空結構外露之緩衝層上；移除光阻層並使得金屬玻璃材料形成一奈米結構陣列，其中奈米結構陣列包括複數奈米結構，各奈米結構彼此間隔排列而形成有序陣列，且藉由奈米結構陣列可形成複數氣體容置空間。
在本發明之一實施例中，該方法更包括以下步驟：設置電性連接加熱層之供電單元，其中供電單元提供可調整電壓對加熱層供電。
由於各種態樣與實施例僅為例示性且非限制性，故在閱讀本說明書後，具有通常知識者在不偏離本發明之範疇下，亦可能有其他態樣與實施例。根據下述之詳細說明與申請專利範圍，將可使該等實施例之特徵及優點更加彰顯。
於本文中，用語「包括」、「具有」或其他任何類似用語意欲涵蓋非排他性之包括物。舉例而言，含有複數要件的元件或結構不僅限於本文所列出之此等要件而已，而是可以包括未明確列出但卻是該元件或結構通常固有之其他要件。
請先參考圖1為本發明之可變表面吸附力元件之結構示意圖。如圖1所示，本發明之可變表面吸附力元件1包括基材10、加熱層20、緩衝層30及奈米結構陣列40。在本發明之一實施例中，基材10可以是矽晶片，但也可採用IIIV族半導體、玻璃、石英、藍寶石等材料製成，更可採用塑膠或其他高分子材料製成，端視需求不同來選擇基材10之材料，不以本實施例為限。
加熱層20形成於基材10之一側。加熱層20可藉由施加電壓與否而產生升溫或降溫效果，使得加熱層20溫度被改變。加熱層20可電性連接一個供電單元50，以藉由供電單元提供加熱層20所需之電壓。加熱層20為金屬層，主要可採用導電及導熱性質較高之金屬所製成。在本發明之一實施例中，加熱層20可以是鋁層，但本發明不以此為限。
緩衝層30形成於加熱層20上，也就是緩衝層30形成於加熱層20與基材10連接之相對側。緩衝層30主要作為加熱層20與奈米結構陣列40間之結合媒介，使得奈米結構陣列40更容易與加熱層20結合且不易彼此脫離。緩衝層30為金屬氧化物層或氮化物層，例如在本發明之一實施例中，緩衝層30可以是氮化矽層，但本發明不以此為限。
奈米結構陣列40形成於緩衝層30上，也就是奈米結構陣列40形成於加熱層20與緩衝層30連接之相對側。奈米結構陣列40包括複數奈米結構41，複數奈米結構41呈有序排列，此處所謂有序定義為複數奈米結構41均沿著同一方向且複數奈米結構41有固定週期重複性產生。此外，藉由奈米結構陣列40可形成複數氣體容置空間S。各氣體容置空間S可藉由各奈米結構41本身所形成，例如各奈米結構41之中空結構，或者各氣體容置空間S可藉由相鄰二個奈米結構41間之間隙所形成。
在本發明之一實施例中，各奈米結構41可為中空管狀結構。中空管狀結構之中心軸O垂直緩衝層30之表面，且中空管狀結構之一端連接緩衝層30而形成封閉端，另一端則形成開放端而具有開口。其中，各中空管狀結構即藉由中空部位作為氣體容置空間S，並且藉由相鄰且間隔設置之二個中空管狀結構之間所形成之間隙也能作為氣體容置空間S。各中空管狀結構具有直徑D、高度H及管壁厚度T，在本發明之一實施例中，各中空管狀結構之直徑D為10nm至100µm之間，較佳者為500nm至800nm之間，且各中空管狀結構之高度H與直徑D比（即高寬比）為1:0.5~1:10之間，較佳者為1:0.5~1:4之間；此外，各中空管狀結構之管壁厚度T與直徑D之比為1:2~1:10之間。
複數奈米結構41中任意相鄰之二奈米結構41之間保持固定間距，在本發明之一實施例中，複數奈米結構41之工作比（duty ratio）為0.5~6之間，也就是說相鄰二個奈米結構41之間距最小為中空管狀結構之直徑之0.5倍，最大為中空管狀結構之直徑之6倍，但本發明不以此為限；前述工作比之較佳者為0.5~2。
前述奈米結構陣列40可採用金屬玻璃材料所製成。前述金屬玻璃材料係選自以下材料所構成群組中之至少一者：鋯基金屬玻璃、鈦基金屬玻璃、鈀基金屬玻璃、鐵基金屬玻璃、銅基金屬玻璃、鎳基金屬玻璃、鋁基金屬玻璃、鎢基金屬玻璃及鎂基金屬玻璃，但本發明不以此為限。在本發明之一實施例中，鋯基金屬玻璃之鋯含量約為37~66at%，舉例來說，鋯基金屬玻璃可以是ZrAlCo金屬玻璃（Zr：54~60 at%、Al：13~22 at%、Co：18~30 at%）、ZrCuAlNi金屬玻璃（Zr：48~66at%、Cu：7~30at%、Al：8~12at%、Ni：5~18at%）、ZrCuAlTa金屬玻璃（Zr：48~66at%、Cu：7~30at%、Al：8~12at% Ta：5~18at%）、ZrCuAlAg金屬玻璃（Zr：48~66at%、Cu：7~30at%、Al：8~12at%、Ag：5~18at%）、ZrCuAlNiTi金屬玻璃（Zr：55~66at%、Cu：10~27at%、Al：8~12at%、Ni：8~14at%、Ti：2~5at%）、ZrAlCuTiBe金屬玻璃（Zr：37~55at%、Cu：10~20at%、Al：8~10at%、Ti：10~14at%、Be：12~25at%）、ZrCuAlNiSi金屬玻璃（Zr：55~66at%、Cu：25~30at%、Al：11~18at%、Ni：5~10at%、Si：0.5~1at%）、ZrCuAlNiNb金屬玻璃（Zr：55~66at%、Cu：10~27at%、Al：8~12at%、Ni：8~14at%、Nb：6~12at%）、ZrHfTiCuNiAl金屬玻璃（Zr：40~45at%、Hf：8~11at%、Ti：2~5at%、Cu：10~18at%、Ni：10~15at%、Al：5~10at%）或ZrTiCuNiBeYMg金屬玻璃（Zr：40~45at%、Ti：10~15at%、Cu：11~18at%、Ni：11~15at%、Be：22~26.5at%、Y：1~2at%、Mg：0.5~1at%）。
在本發明之一實施例中，鈦基金屬玻璃之鈦含量約為23~53at%，舉例來說，鈦基金屬玻璃可以是TiZrCuNbCo金屬玻璃（Ti：42~50at%、Zr：18~24at%、Cu：20~30at%、Nb：3~5at%及Co：1~8at%）、TiZrCuNi金屬玻璃（Ti：32~40at%、Zr：7~15at%、Cu：20~35at%及Ni：3~18at%）、TiNiCuSnBe金屬玻璃（Ti：42~50at%、Ni：18~24at%、Cu：20~30at%、Sn：3~5at%及Be：1~8at%）、TiZrHfNiCu金屬玻璃（Ti：23~28at%、Zr：21~26at%、Hf：16~21at%、Ni：11~16at%及Cu：9~14at%）、TiCuNiSiB 金屬玻璃（Ti：42~50at%、Cu：18~24at%、Ni：20~30at%、Si：3~12at%及B：1~2at%）、TiZrNiCuBe金屬玻璃（Ti：40~45at%、Zr：18~25at%、Ni：15~25at%、Cu：9~25at%及Be：3~7at%）或TiCuNiZrAlSiB金屬玻璃（Ti：50~53at%、Cu：20~27at%、Ni：13~24at%、Si：3~5at%及B：1~2at%）。
在本發明之一實施例中，鈀基金屬玻璃之鈀含量約為40~82at%，舉例來說，鈀基金屬玻璃可以是PdCuSi金屬玻璃（Pd：56~82at%、Cu：2~27at%及Si：15~17at%）、PdNiP金屬玻璃（Pd：40~42at%、Ni：40~42at%及P：16~20at%）或PdNiCuP金屬玻璃（Pd：40~50at%、Ni：7~15at%、Cu：20~35at%及P：10~20at%）。
在本發明之一實施例中，鐵基金屬玻璃之鐵含量約為30~67at%，舉例來說，鐵基金屬玻璃可以是FeCoSmB金屬玻璃（Fe：61~67at%、Co：7~10at%、Sm：2~4at%及B：20~25at%）、FeCoTbB金屬玻璃（Fe：61~67at%、Co：7~10at%、Tb：2~4at%及B：20~25at%）、FeCoNdDyB金屬玻璃（Fe：60~67at% Co：7~10at%、Nd：2~4at%、Dy：0.5~1at%及B：20~25at%）、FeCoNiZrB金屬玻璃（Fe：60~67at%、Co：7~10at%、Ni：2~4at%、Zr：0.5~1at%及B：20~25at%）、FeCoNiSiB金屬玻璃（Fe：30~40at%、Co：25~30at%、Ni：8~15at%、Si：5~8at%及B：15~25at%）、FeZrCoMoWB金屬玻璃（Fe：25~30at%、Zr：15~25at%、Co：6~10at%、Mo：3~8at%、W：15~25at%及B：10~22at%）或FeCrMoErCB金屬玻璃（Fe：48~56at%、Cr：5~15at%、Mo：14~18at%、Er：1~3at%、C：12~15at%及B：2~12at%）。
在本發明之一實施例中，銅基金屬玻璃之銅含量約為40~65at%，舉例來說，銅基金屬玻璃可以是CuHfTi金屬玻璃（Cu：50~60at%、Hf：15~30at%及Ti：10~25at%）、CuZrAl金屬玻璃（Cu：50~60at%、Zr：15~30at%及Al：10~25at%）、CuZrNb金屬玻璃（Cu：52~57at%、Zr：40~45at%及Nb：1~3at%）、CuZrAlAg金屬玻璃（Cu：48~65at%、Zr：23~35at%、Al：7~20at%及Ag：2~20at%）、CuZrTiNi金屬玻璃（Cu：40~48at%、Zr：11~20at%、Ti：27~34at%及Ni：5~8at%）、CuZrAlY金屬玻璃（Cu：40~48at%、Zr：40~45at%、Al：5~10at%及Y：2~5at%）、CuZrAlTi金屬玻璃（Cu：50~60at%、Zr：15~20at%、Al：5~8at%及Ti：12~25at%）或CuZrHfTi金屬玻璃 （Cu：50~60at%、Zr：15~20at%、Hf：8~15at%及Ti：8~15at%）。
在本發明之一實施例中，鎳基金屬玻璃之鎳含量約為35~65at%，舉例來說，鎳基金屬玻璃可以是NiZrAl金屬玻璃（Ni：55~57at%、Zr：28~35at%及Al：8~17at%）、NiNbTa金屬玻璃（Ni：55~60at%、Nb：25~30at%及Ta：10~20at%）、NiNbSn金屬玻璃（Ni：55~60at%、Nb：32~40at%及Sn：5~10at%）、NiNbHfTi金屬玻璃（Ni：57~62at%、Nb：8~20at%、Hf：5~10at%及Ti：15~20at%）、NiZrAlNb金屬玻璃（Ni：57~62at%、Nb：13~25at%、Al：3~5at%及Ti：15~20at%）、NiZrTiAl金屬玻璃（Ni：45~57at%、Zr：20~27at%、Ti：16~20at%及Al：5~8at%）、NiZrTiPd金屬玻璃（Ni：55~57at%、Zr：20~25at%、Ti：10~18at%及Al：3~10at%）、NiNbTiZr金屬玻璃（Ni：57~62at%、Nb：8~25at%、Ti：15~20at%及Zr：3~10at%）、NiCuZrTiAl金屬玻璃（Ni：35~45at%、Cu：5~15at%、Zr：25~35at%、Ti：5~10at%及Al：8~15at%）、NiCuZrTiAlSi金屬玻璃（Ni：35~45at%、Cu：5~15at%、Zr：25~35at%、Ti：5~10at%、Al：8~15at%及Si：0.5~1at%）或NiNbCrMoPB金屬玻璃（Ni：60~65at%、Nb：2~10at%、Cr：2~9at%、Mo：3~11at%、P：8~19at%及B：2~11at%）。
在本發明之一實施例中，鋁基金屬玻璃之鋁含量約為68~85at%，舉例來說，鋁基金屬玻璃可以是AlNiMm金屬玻璃（Al：68~70at%、Ni：20~22at%及Mm：8~12at%）、AlNiY金屬玻璃（Al：75~85at%、Ni：5~20at%及Y：5~12at%）、AlVM金屬玻璃（Al：68~70at%、V：20~22at%及M：8~12at%）、AlNiCe金屬玻璃（Al：68~70at%、Ni：20~22at%及Ce：8~12at%）、AlCoY金屬玻璃（Al：68~70at%、Co：20~22at%及Y：8~12at%）、AlNiYZrCo金屬玻璃（Al：75~80at%、Ni：6~15at%、Y：6~8at%、Zr：1~2at%及Co：2~4at%）或AlNiYCoCu金屬玻璃（Al：75~80at%、Ni：6~15at%、Y：6~8at%、Co：2~4at%及Cu：1~2at%）。
在本發明之一實施例中，鎢基金屬玻璃之鎢含量約為50~55at%，舉例來說，鎢基金屬玻璃可以是WNiB金屬玻璃（W：50~55at%、Ni：25~27at%及B：20~25at%）或WZrSi金屬玻璃（W：50~55at%、Ni：25~27at%及Si：20~25at%）。
在本發明之一實施例中，鎂基金屬玻璃之鎂含量約為60~80at%，舉例來說，鎂基金屬玻璃可以是MgCuY金屬玻璃（Mg：60~65at%、Cu：25~30at%及Y：8~15at%）、MgNiNd金屬玻璃（Mg：75~80at%、Ni：10~18at%及Nd：7~15at%）、MgCuGd金屬玻璃（Mg：60~65at%、Cu：25~30at%及Gd：8~15at%）、MgAlCuY金屬玻璃（Mg：60~65at%、Al：8~10at%、Cu：20~25at%及Y：5~10at%）、MgCuYSi金屬玻璃（Mg：60~65at%、Cu：23~30at%、Y：8~10at%及Si：1~2at%）、MgCuZnY金屬玻璃（Mg：60~65at%、Cu：23~30at%、Zn：1~2at%及Y：8~10at%）或MgCuNiZnAgY金屬玻璃（Mg：60~65at%、Cu：5~10at%、Ni：5~10at%、Zn：3~9at%、Ag：3~5at%及Y：8~10at%）。
前述立體狀之奈米結構陣列40相較於平面狀之金屬玻璃材料層能提供較大之表面積，且藉由立體狀之奈米結構陣列40可供容納空氣；而奈米結構陣列40所能容納之空氣量也隨著奈米結構41之尺寸予以變化。藉由奈米結構陣列40所容納之空氣可提供對物體之表面吸附力。
此外，在本發明之一實施例中，本發明之可變表面吸附力元件1更包括供電單元50。供電單元50電性連接加熱層20，且供電單元50為可變電壓源，用以輸出一可調整電壓以供應至加熱層20，使得加熱層20藉由被供電而改變溫度。此處供電單元50可以是電源供應器、電池模組或其他具有供應可調整電壓功能之供電設備，且在本發明之一實施例中，可調整電壓介於0.5V~3V之間。
以下請一併參考圖2及圖3。圖2為本發明之可變表面吸附力元件製造方法之流程圖，圖3為本發明之可變表面吸附力元件製造方法之各步驟對應結構示意圖。如圖2及圖3所示，本發明之可變表面吸附力元件製造方法主要包括步驟S11至步驟S16。以下將詳細說明該方法之各個步驟：
步驟S11：提供一基材。
首先，依據本發明之可變表面吸附力元件1之使用需求，提供適合作為基底之基材10。此處基材10可以是預先製備好具有固定尺寸規格之片狀或塊狀材料，以下基材10以矽晶片為例加以說明，但本發明不以此為限，基材10也可以是任何可於表面形成加熱層之物體。其中基材10包括相對之第一側11及第二側12。在本實施例中，基材10之尺寸約為1平方公分面積大小，但本發明之基材10尺寸不以此為限。而作為基材10之矽晶片可先執行清洗製程以去除表面灰塵或有機汙染物，再經六甲基二矽氮烷（HMDS）處理。
步驟S12：於基材上形成一加熱層。
於前述步驟S11提供基材10後，接著於基材10之第一側11形成加熱層20。在本發明之一實施例中，加熱層20可以利用射頻（radio frequency）濺鍍製程形成於基材10之第一側11。前述濺鍍製程是採用射頻磁控濺鍍系統（例如ULVAC Sputter SBH-3308RDE），在保持基礎壓力約為4.6*10 -4mTorr、濺鍍距離約為150 mm、射頻功率為1500W且存在於氬氣環境之條件下，以鋁靶材對基材10之第一側11執行約20分鐘之濺鍍。在本實施例中，加熱層20之厚度約為810 nm左右，然而加熱層20之厚度可隨著不同加熱需求而作調整。
步驟S13：於加熱層上形成一緩衝層。
於前述步驟S12形成加熱層20後，接著於加熱層20上形成緩衝層30。在本發明之一實施例中，緩衝層30可以利用電漿增強化學氣相沉積（plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD）製程，以氮氣及氫化矽之混合氣體於加熱層20之表面（即加熱層20與基材10接觸之相對側）沉積形成氮化矽薄膜，以作為緩衝層。在本實施例中，緩衝層30之厚度約為350 nm左右，然而緩衝層30之厚度可視不同需求加以調整。
步驟S14：於緩衝層上形成一光阻層，其中光阻層具有鏤空結構陣列，鏤空結構陣列包括自光阻層之一側貫穿至緩衝層之複數鏤空結構。
以下將針對奈米結構陣列40之各奈米結構41為中空管狀結構之實施態樣來說明後續步驟。於前述步驟S13形成緩衝層30後，接著於緩衝層30上形成光阻層80。在本發明之一實施例中，光阻層80可以採用光刻膠（photoresist），以旋塗方式形成於緩衝層30之表面（即加熱層20與緩衝層30接觸之相對側）。其中所形成之光阻層80可執行光刻製程，使得光阻層80形成一鏤空結構陣列。鏤空結構陣列包括複數鏤空結構81，複數鏤空結構81成規則狀之有序排列，且各鏤空結構81自光阻層80之一側（即光阻層80與緩衝層30接觸之相對側）貫穿至緩衝層30。在本實施例中，光阻層80之厚度約為780nm左右，然而光阻層80之厚度可隨著後續所形成之奈米結構陣列之各奈米結構高度而作調整；此外，各鏤空結構81為圓形穿孔。其中各鏤空結構81之直徑可隨著後續所形成之奈米結構陣列之各奈米結構之直徑而作調整。
步驟S15：於光阻層上濺鍍一金屬玻璃材料，且金屬玻璃材料沉積於各鏤空結構之側壁及藉由鏤空結構外露之緩衝層上。
於前述步驟S14形成光阻層80後，接著執行濺鍍製程，利用金屬玻璃材料製成之靶材（例如，在本發明之一實施例中，採用Zr 55Cu 30Al 10Ni 5之合金化靶材）濺鍍金屬玻璃材料於光阻層80上以形成沉積層90，且金屬玻璃材料沉積於各鏤空結構81之側壁及藉由鏤空結構81外露之緩衝層30上。在本發明之一實施例中，前述濺鍍製程是採用射頻磁控濺鍍系統，在保持基礎壓力約為5*10 -4mTorr及工作壓力約為3 mTorr、濺鍍距離約為10 mm且存在於氬氣環境之條件下，以金屬玻璃材料製成之靶材對光阻層80執行約225~675秒之濺鍍。其中，金屬玻璃材料之沉積層90於光阻層80表面所形成之厚度以及金屬玻璃材料於各鏤空結構81之側壁所形成之管壁厚度將會隨著濺鍍時間不同而作出調整。而在濺鍍時間相同之條件下，金屬玻璃材料於各鏤空結構81之側壁所形成之管壁厚度也會隨著鏤空結構81尺寸之不同而改變，也就是說，隨著鏤空結構81直徑增加，金屬玻璃材料於各鏤空結構81之側壁形成之厚度將會減少。
步驟S16：移除光阻層並使得金屬玻璃材料形成一奈米結構陣列，其中奈米結構陣列包括複數奈米結構，各奈米結構彼此間隔排列而形成有序陣列，且藉由奈米結構陣列可形成複數氣體容置空間。
於前述步驟S15於光阻層80上濺鍍金屬玻璃材料後，經清除原本沉積於光阻層80上方之多餘金屬玻璃材料，並藉由甲苯等溶劑執行沖洗製程以移除位於緩衝層30表面之光阻層80，所留下之金屬玻璃材料便會形成位於緩衝層30上之奈米結構陣列40。此時奈米結構陣列40包括各自獨立連接緩衝層30之複數奈米結構41，且各奈米結構41相對於連接緩衝層30之一端為開放端；各奈米結構41之高度等同於原本光阻層80之厚度，而各奈米結構41之直徑也等同於原本光阻層80之各鏤空結構81之直徑，例如在本實施例中，各奈米結構41之高度約為780 nm，直徑約為500 nm，且管壁厚度約為100 nm，但各奈米結構41之尺寸不以本實施例為限。
又如圖1及圖2所示，在本實施例中，本發明之可變表面吸附力元件製造方法於步驟S16後更包括步驟S17：設置電性連接加熱層之一供電單元，其中供電單元提供一可調整電壓對加熱層供電。
於前述步驟S16形成奈米結構陣列40後，本發明之可變表面吸附力元件1可將供電單元50與加熱層20電性連接。藉由供電單元50提供電壓，可致使加熱層20溫度上升，並將熱量傳導至奈米結構陣列40。供電單元50提供可調整電壓對加熱層20供電，而隨著供電單元50所提供電壓不同，加熱層20之溫度上升幅度也會隨之變化，藉此以控制奈米結構陣列40所呈現之溫度。需注意的是，本發明之可變表面吸附力元件製造方法之步驟S17亦可執行於步驟S16之前，例如於步驟S12形成加熱層20後，即可針對已形成之加熱層20電性連接供電單元50。
以下請參考圖4為本發明之可變表面吸附力元件之表面溫度及施加電壓之關係圖。本發明之可變表面吸附力元件1藉由提供不同電壓至加熱層20，以測量相應電壓下本發明之可變表面吸附力元件之表面溫度之變化。如圖4所示，經實驗結果可得知，本發明之可變表面吸附力元件之表面溫度與電壓值大小成正比之線性關係，也就是說，隨著提供至加熱層20之電壓值增加，本發明之可變表面吸附力元件之表面溫度也會相對上升。此外，藉由圖4亦可得知，在施加電壓介於0V~3V之範圍內，本發明之可變表面吸附力元件之表面溫度可於約25℃~80℃之間進行調整，且於提供穩定電壓值後，本發明之可變表面吸附力元件之表面溫度亦可呈現穩定之溫度。據此，本發明之可變表面吸附力元件可藉由提供較低電壓即可產生較廣範圍之表面溫度變化，進而有效調整本發明之可變表面吸附力元件所能提供之表面吸附力。
以下請參考圖5為分別量測對照組及本發明之可變表面吸附力元件之不同實驗組之水接觸角與施加電壓關係之示意圖。在以下實驗中，利用本發明之可變表面吸附力元件製造方法之步驟S11~S13所製成之可變表面吸附力元件1半成品，於其緩衝層30上利用濺鍍製程形成一層平面狀金屬玻璃材料層以作為對照組A。以本發明之可變表面吸附力元件製造方法之步驟S11~S16所製成之可變表面吸附力元件1作為實驗組B1~B4，而實驗組B1~B4之各奈米結構均為中空管狀結構。其中實驗組B1之各奈米結構之直徑為500 nm，實驗組B2之各奈米結構之直徑為600 nm，實驗組B3之各奈米結構之直徑為700 nm，實驗組B4之各奈米結構之直徑為800 nm，而實驗組B1~B4之各奈米結構之高度均為780 nm。接著，於實驗中將液體（例如水）分別濕潤對照組A及實驗組B1~B4具有金屬玻璃材料之表面，藉此各別測量覆蓋於對照組A及實驗組B1~B4之具有金屬玻璃材料之表面之液滴所形成之水接觸角，進一步分析隨著施加不同電壓時水接觸角之變化。此處所謂之水接觸角是指靜態水接觸角（Static Water Contact Angle，SWCA），且水接觸角是藉由具有可旋轉台之GH-100接觸角系統（KRÜSS，德國），利用增加液滴體積並記錄其角度來加以測量。
如圖5所示，就對照組A而言，於平面狀金屬玻璃材料層之表面上所形成之液滴於未施加電壓之狀態下具有最大水接觸角約94±3°，且隨著施加電壓逐漸增加至3V，使得平面狀金屬玻璃材料層之表面溫度增加而水之表面張力降低，導致液滴之水接觸角反而逐漸變小。相較之下，就實驗組B1~B4之任一者而言，於具有奈米結構陣列之表面上所形成之液滴於未施加電壓之狀態下之水接觸角均明顯高於對照組A於相同條件下所呈現之水接觸角，例如實驗組B1之水接觸角可達到約126±4°，且隨著施加電壓逐漸增加至1.5V，除了實驗組B4所呈現之水接觸角稍微下降之外，其餘實驗組B1~B3均呈現水接觸角逐漸增加之趨勢，直至施加電壓由1.5V逐漸增加至3V之過程中，水接觸角才開始變小。據此，具有奈米結構陣列之表面之實驗組B1~B4相較於具有平坦表面之對照組A可呈現更大之水接觸角，明顯表示實驗組B1~B4藉由奈米結構陣列提供較佳之表面疏水性，亦即提供較大之表面吸附力。
由圖5之結果可推知，當液體覆蓋住之實驗組B1~B4之任一者之表面時，實驗組B1~B4之任一者可藉由奈米結構陣列之複數氣體容置空間作為封閉氣體腔室，且隨著施加電壓逐漸增加至1.5V而增加奈米結構陣列之表面溫度，使得複數氣體容置空間內之氣體產生正壓而提供對液滴之擴張力，進而降低奈米結構陣列之表面吸附力。然而，當施加電壓逐漸增加至2V而使得表面溫度升高至超過60°C時，隨著液體之表面張力降低，複數氣體容置空間內之氣體可能會容易洩漏而使得液滴滲入複數氣體容置空間，進而產生吸力而導致水接觸角變小。相反地，隨著施加電壓逐漸減小而降低奈米結構陣列之表面溫度，將使得複數氣體容置空間內之氣體產生負壓而提供對液滴之吸力，進而提高奈米結構陣列之表面吸附力。
此外，由實驗組B1~B4可推知，隨著奈米結構之直徑增加，奈米結構陣列所呈現之水接觸角會隨之變小。舉例來說，由於實驗組B4之奈米結構之直徑大於實驗組B1之奈米結構之直徑，使得實驗組B4之奈米結構之高寬比、工作比及管壁厚度均小於實驗組B1之高寬比、工作比及管壁厚度，因此實驗組B4相較於實驗組B1更容易造成複數氣體容置空間內之氣體洩漏，進而導致實驗組B4之水接觸角表現相較於實驗組B1來得差。
本發明之可變表面吸附力元件可藉由倒置狀態下量測懸掛於奈米結構陣列之表面之液滴重量來計算其表面吸附力。其表面吸附力之計算公式如下： P = W/A 其中P是單位面積之表面吸附力，W是液滴之最大重量，A是奈米結構陣列與液滴之接觸表面積。一般可變表面吸附力元件處於正置狀態下，被靜態液滴覆蓋之奈米結構陣列之複數氣體容置空間內壓力約為1 atm，即等同於環境壓力；一旦可變表面吸附力元件自0°傾斜到90°或180°時，將導致複數氣體容置空間內之壓力下降，因而產生表面吸附力。在實驗過程中，藉由逐漸增加懸掛在奈米結構陣列之表面之液滴體積，直到液滴脫離奈米結構陣列之表面，即可確定可以該液滴之最大重量。
以下請參考圖6為量測實驗組B1之表面吸附力與施加電壓關係之示意圖。在以下實驗中，以前述實驗組B1之可變表面吸附力元件作為實驗標的，分別於持續施加電壓以升溫及停止施加電壓以降溫之條件下量測表面吸附力與施加電壓之關係。如圖6所示，實驗組B1於未施加電壓之狀態下，可提供之表面吸附力約為8 N/cm 2，而隨著所施加電壓逐漸增大，奈米結構陣列之表面溫度逐漸增加，同時促使奈米結構陣列之複數氣體容置空間內之氣體壓力增加，進而導致表面吸附力減小；直到施加電壓增加至3V之狀態下，實驗組B1可提供之表面吸附力降低至約0.26 N/cm 2。據此，奈米結構陣列對物體之表面吸附力隨著可調整電壓之增加而減小。
相反地，當實驗組B1所施加電壓自3V開始逐漸降低，奈米結構陣列之表面溫度逐漸下降，同時促使奈米結構陣列之複數氣體容置空間內之氣體壓力減少，進而導致表面吸附力增加。此外，於可調整電壓相同之條件下，奈米結構陣列於升溫過程中對物體之表面吸附力小於奈米結構陣列於降溫過程中對物體之表面吸附力。直到施加電壓降低至0V之狀態下，實驗組B1可提供之表面吸附力提高至約11.2 N/cm 2。據此，本發明之可變表面吸附力元件可藉由奈米結構陣列中密集設置之奈米結構產生足夠之表面附著力，且藉由調整奈米結構陣列之表面溫度能夠控制表面吸附力之大小。
綜上所述，本發明之可變表面吸附力元件藉由金屬玻璃材料所形成之奈米結構陣列，利用不同電壓之供應來改變奈米結構陣列之表面溫度，進而產生對物體之表面吸附力之變化；據此，本發明之可變表面吸附力元件可應用於模擬壁虎攀爬牆壁或垂直平面時之行走模式。
以上實施方式本質上僅為輔助說明，且並不欲用以限制申請標的之實施例或該等實施例的應用或用途。此外，儘管已於前述實施方式中提出至少一例示性實施例，但應瞭解本發明仍可存在大量的變化。同樣應瞭解的是，本文所述之實施例並不欲用以透過任何方式限制所請求之申請標的之範圍、用途或組態。相反的，前述實施方式將可提供本領域具有通常知識者一種簡便的指引以實施所述之一或多種實施例。再者，可對元件之功能與排列進行各種變化而不脫離申請專利範圍所界定的範疇，且申請專利範圍包含已知的均等物及在本專利申請案提出申請時的所有可預見均等物。
1‧‧‧可變表面吸附力元件
10‧‧‧基材
11‧‧‧第一側
12‧‧‧第二側
20‧‧‧加熱層
30‧‧‧緩衝層
40‧‧‧奈米結構陣列
41‧‧‧奈米結構
50‧‧‧供電單元
80‧‧‧光阻層
81‧‧‧鏤空結構
90‧‧‧沉積層
S11~S17‧‧‧步驟
A‧‧‧對照組
B1~B4‧‧‧實驗組
D‧‧‧直徑
H‧‧‧高度
T‧‧‧管壁厚度
O‧‧‧中心軸
S‧‧‧氣體容置空間
圖1為本發明之可變表面吸附力元件之結構示意圖。 圖2為本發明之可變表面吸附力元件製造方法之流程圖。 圖3為本發明之可變表面吸附力元件製造方法之各步驟對應結構示意圖。 圖4為本發明之可變表面吸附力元件之表面溫度及施加電壓關係之示意圖。 圖5為分別量測對照組及本發明之可變表面吸附力元件之不同實驗組之水接觸角與施加電壓關係之示意圖。 圖6為量測實驗組B1之表面吸附力與施加電壓關係之示意圖。

Claims (13)

  1. 一種可變表面吸附力元件，可吸附於一物體，該可變表面吸附力元件包括： 一基材； 一加熱層，形成於該基材之一側，該加熱層可藉由供電而改變溫度； 一緩衝層，形成於該加熱層上；以及 一奈米結構陣列，形成於該緩衝層上，該奈米結構陣列以金屬玻璃材料製成，該奈米結構陣列包括複數奈米結構，各該奈米結構彼此間隔排列而形成一有序陣列，且藉由該奈米結構陣列可形成複數氣體容置空間。
  2. 如請求項1所述之可變表面吸附力元件，其中該加熱層為一金屬層，且該緩衝層為一金屬氧化物層或一氮化物層。
  3. 如請求項1所述之可變表面吸附力元件，其中各該奈米結構為一中空管狀結構，該中空管狀結構之一中心軸垂直該緩衝層之表面，且該中空管狀結構之一端連接該緩衝層，另一端則形成一開放端。
  4. 如請求項3所述之可變表面吸附力元件，其中各該中空管狀結構之直徑為10nm至100µm之間，且各該中空管狀結構之高寬比為1:0.5~1:10之間。
  5. 如請求項3所述之可變表面吸附力元件，其中各該中空管狀結構之管壁厚度與直徑之比為1:10~1:2之間。
  6. 如請求項3所述之可變表面吸附力元件，其中該複數奈米結構之工作比（duty ratio）為0.5~6之間。
  7. 如請求項1所述之可變表面吸附力元件，更包括一供電單元，該供電單元電性連接該加熱層，以提供一可調整電壓對該加熱層供電。
  8. 如請求項7所述之可變表面吸附力元件，其中該可調整電壓介於0.5V~3V之間。
  9. 如請求項7所述之可變表面吸附力元件，其中該奈米結構陣列對該物體之表面吸附力隨著該可調整電壓之增加而減小。
  10. 如請求項7所述之可變表面吸附力元件，其中於該可調整電壓相同之條件下，該奈米結構陣列於升溫過程中對該物體之表面吸附力小於該奈米結構陣列於降溫過程中對該物體之表面吸附力。
  11. 如請求項1所述之可變表面吸附力元件，其中該金屬玻璃材料係選自以下材料所構成群組中之至少一者：一鋯基金屬玻璃、一鈦基金屬玻璃、一鈀基金屬玻璃、一鐵基金屬玻璃、一銅基金屬玻璃、一鎳基金屬玻璃、一鋁基金屬玻璃、一鎢基金屬玻璃及一鎂基金屬玻璃。
  12. 一種如請求項1至11之任一項所述之可變表面吸附力元件之製造方法，包括以下步驟： 提供一基材； 於該基材上形成一加熱層； 於該加熱層上形成一緩衝層； 於該緩衝層上形成一光阻層，其中該光阻層具有一鏤空結構陣列，該鏤空結構陣列包括自該光阻層之一側貫穿至該緩衝層之複數鏤空結構； 於該光阻層上濺鍍一金屬玻璃材料，且該金屬玻璃材料沉積於各該鏤空結構之側壁及藉由該鏤空結構外露之該緩衝層上；以及 移除該光阻層並使得該金屬玻璃材料形成一奈米結構陣列，其中該奈米結構陣列包括複數奈米結構，各該奈米結構彼此間隔排列而形成一有序陣列，且藉由該奈米結構陣列可形成複數氣體容置空間。
  13. 如請求項12所述之可變表面吸附力元件製造方法，更包括以下步驟：設置電性連接該加熱層之一供電單元，其中該供電單元提供一可調整電壓對該加熱層供電。
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