一种三维微纳结构器件的制备装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种三维微纳结构器件的制备装置及方法，所述装置包括微型电镀管、容器、待镀三维微纳结构生长的衬底、三轴移动装置、电源以及控制系统；所述微型电镀管内装有电镀液，所述容器内装有与电镀液不相溶的液体，所述衬底放置在容器内，所述电镀液为待镀三维微纳结构器件的电镀液，所述微型电镀管浸入在容器内的液体中；所述电镀液和衬底分别与电源连接，通过电镀液在衬底上实现三维微纳结构的电镀生长；所述三轴移动装置与控制系统连接，用于控制微型电镀管与衬底之间的相对位置以及移动速度。本发明专利技术可以有效限制电镀液在特定的空间范围，保持非常好的定域性。

Device and method for preparing three-dimensional micro nano structure device

The invention discloses a device and a method for preparing a three-dimensional micro nano structure devices, the device comprises a micro tube, container, electroplating plating of three-dimensional micro nano structure substrates, three axis moving device, power supply and control system; the inner pipe is provided with a micro electroplating electroplating solution, the vessel is not compatible with plating liquid, the substrate is placed in the container, the electroplating solution for electroplating plating three-dimensional micro nano structure devices, the micro electroplating tube is immersed in liquid in the container; the plating liquid and the substrate are respectively connected with the power supply, through the implementation of the growth of the three-dimensional micro electroplating electroplating solution nano structure on the substrate; connecting the three axis of the mobile device and control system for micro control between the tube and the substrate plating the relative position and movement speed. The invention can effectively limit the electroplating liquid in a particular space range and maintain very good localization.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三维微纳结构器件的制备装置及方法，属于三维微纳结构器件制备

技术介绍
如今许多设备逐渐走向微型化，而设备微型化离不开其中零部件的微型化，传统的材料制备成型方法诸如切削、冲压等加工方法无法从精度和尺寸上达到微纳结构，显然已经逐渐不适合用于微型化零部件的加工成型。超精密切削加工技术是一种可以实现微米级别加工的技术，它基于传统切削加工方法发展起来的，又与传统的切削有很大不同。首先，超精密切削加工过程需要克服待加工材料原子之间的结合力，这会在刀刃产生很大的应力和温度，目前只有单晶金刚石刀具可以满足这一要求。其次，超精密切削加工需要用到微米级别的金刚石刀具，刀具本身的尺寸限制了此工艺的加工尺寸，也导致此工艺无法进一步微细化。相比起传统的加工工艺，在电沉积制造过程中，材料的制备成型均是以离子的尺度进行的，金属离子的尺寸在十分之一纳米甚至更小，因此电沉积制造技术这种加工方法使得它在微纳米结构材料制备领域有着极其大的潜能。电化学制造中基于阴极沉积的增材制造技术被称为电铸，在电铸过程中，电镀液中的金属离子不断向阴极迁移，并沉积在阴极衬底上，直到达到所需要的厚度。然后，沉积层可以被机械等方法剥离，即获得所需的金属制品。电铸具有无损耗、表面无应力、加工表面质量好、与零件材料硬度无关等优点。虽然电铸技术理论上在微纳结构材料加工上具有极大的优势，但是传统电化学加工的加工定域性很差，这限制了它的微纳尺度加工能力。加工定域性是指加工区和非加工区材料去除量的比值。在电沉积过程中，对于有电镀液的阴极表面，只要有电流通过，就会发生金属沉积，这些沉积的区域可能不仅仅只有期望加工的区域，这会导致工件的形状出现一些细微的畸变。光刻胶镂空模板屏蔽法可以提高其定域能力，目前最成熟且最具代表性技术是LIGA和准LIGA。LIGA利用同步辐射X射线源通过特制的图形化掩模板对感光胶进行照射，然后用显影液对曝光后的感光胶进行冲洗，得到与掩模板上图形相对应的镂空感光胶膜，接着用电沉积方法对这些孔洞进行填充，得到的金属结构既可以作为最终产品也可以作为模具进行批量化生产。然而LIGA使用的同步辐射X射线源极为稀缺昂贵，这成为其大规模应用的主要障碍。准LIGA技术指的是用紫外线、激光、质子束等代替同步辐射X射线的技术，这些准LIGA技术在分辨率、深宽比方面均比LIGA技术逊色，加工尺寸也无法过于精细。并且，由于曝光光源和掩模板的限制，采用光刻胶镂空屏蔽模板方式的LIGA和准LIGA技术目前无法获得特征尺寸在纳米尺度的电铸制品。近年来发展起来了一种诱导电沉积(localizedelectro-deposition,LED)。它利用电化学原理在阴极上有选择地逐步堆积金属层而形成任意三维微纳结构。该技术采用毛细玻璃管作为电镀液盛放装置，并且通过毛细玻璃管与阴极所在平台之间的相对移动来控制电沉积位置，并最终得到所需三维结构。该技术成本较低，也大大提高了定域性，但是此方法中还是存在因为电镀液本身较强流动性导致定域性不好的问题，所以并不能制成复杂、精细的三维微纳结构。JieHu和Min-FengYu在SCIENCE上报道了一种用电沉积制造类拱桥状纳米导线的方法。该方法基于上述的诱导电沉积方法，用一个口径大约在3微米的微型管作为电镀液释放装置，同时用聚焦离子束在管口一侧切一口，然后用此管口在适当的移动速度下释放电镀液并沉积出了类拱桥状的纳米导线。但是此方法依然存在上述所说的定域能力不强的缺点，无法进一步制造出更复杂或者是更精细的三维微纳结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，提供了一种三维微纳结构的制备装置，该装置可以限制电镀液的流动性，提高电沉积定域性。本专利技术的另一目的在于提供一种三维微纳结构的制备方法。本专利技术的目的可以通过如下技术方案实现：一种三维微纳结构的制备装置，包括微型电镀管、容器、待镀三维微纳结构生长的衬底、三轴移动装置、电源以及控制系统；所述微型电镀管内装有电镀液，所述容器内装有与电镀液不相溶的液体，所述衬底放置在容器内的底部，所述电镀液为待镀三维微纳结构器件的电镀液，所述微型电镀管浸入在容器内的液体中；所述电镀液和衬底分别与电源连接，通过电镀液在衬底上实现三维微纳结构的电镀；所述三轴移动装置与控制系统连接，用于控制微型电镀管与衬底之间的相对位置以及移动速度。进一步的，所述微型电镀管包括微型管、参比电极和对电极，所述微型管内装有电镀液、参比电极和对电极，对电极与电源正极连接；所述衬底可水平放置、倾斜放置或竖直放置，该衬底为工作电极，与电源负极连接；所述微型电镀管与衬底之间相互垂直或成一倾斜的角度。进一步的，所述微型管的材质采用玻璃、石英、铂、不锈钢、钛、银或待镀金属；所述参比电极为浸入电镀液中的独立电极，采用现有的参比电极，例如甘汞电极、银-氯化银电极、铜-硫酸铜电极、醌氢醌电极、固体参比电极等；所述对电极为浸入电镀液中的独立电极或镀在微型管内表面的薄膜，对电极可以采用化学稳定电极，如采用金、银、铂、不锈钢、钛、石墨等制成的电极，也可以采用待镀金属制成的电极。进一步的，所述微型管的管口横切面直径在10nm-1mm之间，管口的类型包括阶梯状管口、平面状管口、斜口管口和尖口管口，管口截面形状包括圆形、椭圆形和多边形；微型管的管口横切面直径、管口的类型、管口截面形状由待镀三维微纳结构的大小、形状决定。进一步的，所述电镀液为水相电镀液或油相电镀液，当电镀液为水相电镀液时，容器内的液体为与水相电镀液不相溶的有机液体，当电镀液为油相电镀液时，容器内的液体为与油相电镀液不相溶的水性液体。进一步的，所述有机液体为烃类液体、醚类液体、酯类液体、硅油、矿物油或油脂；烃类如环己烷、苯、甲苯、戊烷、己烷、辛烷等；卤代烃类如氯苯、四氯化碳、二氯甲烷等；醚类：乙醚、丙醚、石油醚等；酯类如乙酸乙酯等。进一步的，所述电镀液为待镀金属及其合金、半导体材料、高分子材料和复合材料的电镀液，金属及其合金包括：铜及铜合金、镍及镍合金、银及银合金、金及金合金、钛及钛合金、铝及铝合金、锡及锡合金、铁及铁合金、锌及锌合金、锰及锰合金等、钨及钨合金等；半导体材料包括：硅、锗、碲化镉、硒化镉、硫化镉、砷化镓、磷化铟、硫化锌、铜铟硒、硫化铜、铜铟镓硒、铜锌锡硫等；高分子材料包括：ABS塑料、聚丙烯、聚砜、聚碳酸酯、尼龙、酚醛玻璃纤维增强塑料、聚苯乙烯等；复合材料可以为金属、半导体和高分子之间的复合材料；电镀材料还可以是文献已公开报道可以用电镀方法沉积的任何材料；配制物质可以根据成本和性能要求来进行选择。进一步的，所述电镀液中加入表面活性剂，表面活性剂的类型包括阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型活性剂；阴离子型如高级脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐等；阳离子型如胺盐、季铵盐等；两性离子型如氨基酸型、甜菜碱型等；非离子型如聚乙二醇型、多元醇型等；表面活性剂根据对待镀三维微纳结构的光亮性和平整性等要求进行选择。进一步的，所述控制系统控制微型电镀管与衬底之间的相对移动，具体包括：a、控制微型电镀管在x、y、z三个相互垂直方向上移动，而衬底保持静止状态；b、控制衬底在x、y、z三个相互垂直方向上移动，而微型电镀管保持静止状态；c、控制微型电镀管在相互垂直的x、y、z本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维微纳结构器件的制备装置，其特征在于：包括微型电镀管、容器、待镀三维微纳结构器件生长的衬底、三轴移动装置、电源以及控制系统；所述微型电镀管内装有电镀液，所述容器内装有与电镀液不相溶的液体，所述衬底放置在容器内，所述电镀液为待镀三维微纳结构器件的电镀液，所述微型电镀管浸入在容器内的液体中；所述电镀液和衬底分别与电源连接，通过微型电镀管中的电镀液在衬底上实现三维微纳结构器件的电镀；所述三轴移动装置与控制系统连接，用于控制微型电镀管与衬底之间的相对位置以及移动速度。

【技术特征摘要】
1.一种三维微纳结构器件的制备装置，其特征在于：包括微型电镀管、容器、待镀三维微纳结构器件生长的衬底、三轴移动装置、电源以及控制系统；所述微型电镀管内装有电镀液，所述容器内装有与电镀液不相溶的液体，所述衬底放置在容器内，所述电镀液为待镀三维微纳结构器件的电镀液，所述微型电镀管浸入在容器内的液体中；所述电镀液和衬底分别与电源连接，通过微型电镀管中的电镀液在衬底上实现三维微纳结构器件的电镀；所述三轴移动装置与控制系统连接，用于控制微型电镀管与衬底之间的相对位置以及移动速度。2.根据权利要求1所述的一种三维微纳结构器件的制备装置，其特征在于：所述微型电镀管包括微型管、参比电极和对电极，所述微型管内装有电镀液、参比电极和对电极，对电极与电源正极连接；所述衬底可水平放置、倾斜放置或竖直放置，该衬底为工作电极，与电源负极连接；所述微型电镀管与衬底之间相互垂直或成一倾斜的角度。3.根据权利要求2所述的一种三维微纳结构器件的制备装置，其特征在于：所述微型管的材质采用玻璃、石英、铂、不锈钢、钛、银或待镀金属；所述参比电极为浸入电镀液中的独立电极，采用甘汞电极、银-氯化银电极、铜-硫酸铜电极、醌氢醌电极或固体参比电极；所述对电极为浸入电镀液中的独立电极或镀在微型管内表面的薄膜，对电极采用金、银、铂、不锈钢、钛、石墨或待镀金属制成的电极。4.根据权利要求2所述的一种三维微纳结构器件的制备装置，其特征在于：所述微型管的管口横切面直径在10nm-1mm之间，管口的类型包括阶梯状管口、平面状管口、斜口管口和尖口管口，管口截面形状包括圆形、椭圆形和多边形。5.根据权利要求1所述的一种三维微纳结构器件的制备装置，其特征在于：所述电镀液为水相电镀液或油相电镀液，当电镀液为水相电镀液时，容器内的液体为与水相电镀液不相溶的有机液体，当电镀液为油相电镀液时，容器内的液体为与油相电镀液不相溶的水性液体。6.根据权利要求5所述的一种三维微纳结构器件的制备装置，其特征在于：所述有机液体为烃类液体、醚类液体、酯类液体、硅油、矿物油或油脂。7.根据权利要求1所述的一种三维微纳结构器件的制备装置，其特征在于：所述电镀液为待镀金属及其合金、半导体材料、高分子材料和复合材料的电镀液；其中，所述复合材料为金属、半导体和高分子之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：任山，孟嘉欣，洪澜，孟跃中，肖敏，王拴紧，韩冬梅，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44