一种三维微纳折纸结构的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种三维微纳折纸结构的制备方法，包括：制备悬空的第一薄膜材料，并在所述第一薄膜材料上旋涂光刻胶；基于第一薄膜材料形成至少一个具有第一预定图形的第一平面结构；制备第二薄膜材料，并进行溶脱与刻蚀作为样品备用；将所述样品置于预设离子束系统中，利用离子束对所述第一平面结构进行辐照获得卷曲结构；将获取卷曲结构后的样品置于聚焦离子束系统中，并利用线扫描和/或线切割使所述卷曲结构折叠，得到三维微纳折纸结构。基于本发明专利技术提供三维微纳折纸结构的制备方法，其机制在于离子束技术在微纳尺度上对应力大小的精确控制，并实现了微纳尺度的三维卷曲折叠结构的加工，大大提高了三维微纳折纸结构的加工灵活性。

A preparation method of three-dimensional micro-nano origami structure

【技术实现步骤摘要】
一种三维微纳折纸结构的制备方法
本专利技术涉及微纳米
与三维器件领域，特别是涉及一种三维微纳折纸结构的制备方法。
技术介绍
随着微电子技术的不断发展，三维弯曲结构的应用逐渐广泛。相比于二维微纳结构，三维结构具有更高的可控自由度，以及更小的体积等优势。例如在隐身超材料以及负折射率超材料的设计中，都需要三维结构进行制备。而且三维超材料在通过等离激元聚焦实现超透镜或者光增强器件上也具有重要的作用。此外，等离激元结构的特征尺寸与光波的波长成正比，而且具有亚波长的特点，因此三维微纳结构制备上的进步将对三维超材料的应用产生巨大的影响。在三维超材料中，具有卷曲或者折叠结构的光学器件具有比传统的三维结构更突出的光调控能力，因此现在的器件制备方向主要集中在如何获得三维微纳卷曲折叠结构。此外，在三维电学器件的设计中三维微纳结构可以提高电学器件的性能以及集成度，对于高集成度高效率的器件设计具有重要作用。通常三维结构的加工主要依靠激光直写以及3D打印等技术，虽然这些技术可以进行复杂三维结构的加工，但是其加工材料受到了较大的限制，一般只适合加工聚合物的三维结构，此外其加工效率较低。为了更灵活的制备三维结构，提出了三维折纸的加工技术，该技术具有与平面加工工艺兼容，制备灵活等特点。这些方法的加工思路主要依靠二维图形化结构的三维折叠或者卷曲实现，例如压缩屈曲技术、残余应力诱导卷曲技术等。这些技术也具有制备方法简单以及结构多样性高等优势，例如压缩屈曲技术会在被拉伸的柔性衬底上制备二维图形，该图形通过几个连接点与衬底结合在一起，在衬底从拉伸状态恢复时，二维图形会被压缩进而产生屈曲，因此得到了复杂的三维结构。但是采用这些技术存在以下问题：其一，三维结构的特征尺寸一般比较大，在五微米以上，而亚五微米甚至纳米级三维结构的加工存在较大的困难；其二，这些结构虽然具有弯曲或者折叠的特性，但是难以加工弯曲特征以及折叠特征在同一个结构中的折微纳结构；其三，三维结构在尺寸减小时，其加工速度会显著减慢，加工成本则显著提高。以上的种种问题已经严重限制了三维微纳结构的发展以及实际应用，因此需要采取新的加工技术来快速大面积的加工三维微纳结构。
技术实现思路
本专利技术提供了一种三维微纳折纸结构的制备方法以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种三维微纳折纸结构的制备方法，包括：步骤S1、制备悬空的第一薄膜材料，并在所述第一薄膜材料上旋涂光刻胶；步骤S2、通过曝光的方式在所述第一薄膜材料的表面形成至少一个具有第一预定图形的第一平面结构；步骤S3、在形成有所述第一平面结构的第一薄膜材料上制备第二薄膜材料，并进行溶脱与刻蚀后作为样品备用；步骤S4、将所述样品置于预设离子束系统中，利用离子束对所述第一平面结构进行辐照获得卷曲结构；步骤S5、将获取卷曲结构后的样品置于聚焦离子束系统中，并利用线扫描和/或线切割使所述卷曲结构折叠，得到三维微纳折纸结构。可选地，在所述步骤S1中：所述第一薄膜材料为通过转移方法得到的金属薄膜、介质薄膜中的一种；所述介质薄膜包括氮化硅薄膜窗口、二氧化硅薄膜窗口、硅薄膜窗口中的一种；所述光刻胶为电子束光刻胶或紫外光刻胶。可选地，在所述步骤S2中，所述第一平面结构为单次曝光的平面结构，或者通过套刻得到的多层平面结构。可选地，在所述步骤S3之后还包括：通过曝光的方式基于所述第一平面结构形成第二预定图形的第二平面结构；所述第二平面结构为单次曝光的平面结构，或者通过套刻得到的多层平面结构。可选地，在所述步骤S3中，所述刻蚀为采用干法刻蚀技术或物理化学刻蚀。可选地，在所述步骤S3中，在形成有所述第一平面结构的第一薄膜材料上制备第二薄膜材料，包括：通过物理沉积方法或化学沉积方法在形成有所述第一平面结构的第一薄膜材料上制备第二薄膜材料；其中，所述第二薄膜材料是由金属材料、介质材料、半导体材料中的任意一种材料构成的单层薄膜材料；或由金属材料、介质材料、半导体材料中的一种或多种材料构成的多层薄膜材料。可选地，在所述步骤S4中，所述离子束是离子铣方法产生的离子束，或者是聚焦离子束系统所产生的离子束，或者是反应离子刻蚀系统形成的等离子体环境。可选地，在所述步骤S5中，所述线扫描是第一剂量的扫描使所述卷曲结构发生断裂，也可以是第二剂量的扫描使所述卷曲结构发生形变。可选地，所述三维微纳折纸结构具有折叠的特征，或具有卷曲的特征，或兼具折叠与卷曲两种特征。可选地，所述三维微纳折纸结构的卷曲角度为0～180°，卷曲半径为170nm～30μm；所述三维微纳折纸结构的折叠角度为0～90°；其中，通过调整所述离子束的剂量和/或所述离子束的能量实现对所述卷曲角度、卷曲半径或折叠角度的控制；或通过控制线扫描的方向实现对所述三维微纳折纸结构的构型的控制。本专利技术提供的一种三维微纳折纸结构的制备方法，其加工机制是通过离子束所具有的纳米级精度以及极小的束斑向薄膜材料中引入应力，以实现薄膜的弯曲或者折叠，从而组装复杂的三维结构，并且可以通过调整离子束剂量与能量实现对三维结构的弯曲角度以及折叠角度的控制，制备过程灵活可控，加工速度较快，并且可以加工纳米尺寸的三维结构。结合光刻技术制备的二维图形以及离子束切割过程，还可以对三维微纳折纸结构的构型进行精确的控制，实现了同时兼具卷曲与折叠两种特征的三维结构的制备。大大提高了小尺寸，大面积以及复杂构型微纳结构的加工速度与加工灵活性。本专利技术提供的三维微纳折纸结构的制备方法，至少存在以下技术优势：1)通过离子束-材料相互作用，向薄膜中引入应力，可以加工具有卷曲折叠两种特征的三维结构，加工机制明确，具有可跨尺度加工(从纳米级到毫米级)，加工速度快等优势；2)通过对预定图形的二维图案设计以及离子束刻蚀过程共同控制三维结构的构型，区别于其他的加工方法，该方法所加工的三维微纳折纸结构可以同时具有卷曲和折叠两种特征，并且结构的三维构型精确可控，大大提高了结构的丰富度，增加了结构的可设计性；3)本专利技术所采用的工艺简单、高效、成本低廉而且对材料具有很好的普适性，在三维器件加工中，可以灵活地选择材料，可以基于这个优势设计具有多种特性的结构。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本专利技术的具体实施方式。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是根据本专利技术实施例的三维微纳折纸结构的制备方法的流程示意图；图2是根据本专利技术实施例的三维微纳折纸结构的制备方法的制作过程示意图；图3是根据本专利技术实施例一的卷曲结构示意图；图4是根据本专利技术一个实施例制备的三维微纳折纸结构阵列的示意图；图5是根据本专利技术实施例二的卷曲结构示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维微纳折纸结构的制备方法，包括：步骤S1、制备悬空的第一薄膜材料，并在所述第一薄膜材料上旋涂光刻胶；步骤S2、通过曝光的方式在所述第一薄膜材料的表面形成至少一个具有第一预定图形的第一平面结构；步骤S3、在形成有所述第一平面结构的第一薄膜材料上制备第二薄膜材料，并进行溶脱与刻蚀后作为样品备用；步骤S4、将所述样品置于预设离子束系统中，利用离子束对所述第一平面结构进行辐照获得卷曲结构；步骤S5、将获取卷曲结构后的样品置于聚焦离子束系统中，并利用线扫描和/或线切割使所述卷曲结构折叠，得到三维微纳折纸结构。

【技术特征摘要】
1.一种三维微纳折纸结构的制备方法，包括：步骤S1、制备悬空的第一薄膜材料，并在所述第一薄膜材料上旋涂光刻胶；步骤S2、通过曝光的方式在所述第一薄膜材料的表面形成至少一个具有第一预定图形的第一平面结构；步骤S3、在形成有所述第一平面结构的第一薄膜材料上制备第二薄膜材料，并进行溶脱与刻蚀后作为样品备用；步骤S4、将所述样品置于预设离子束系统中，利用离子束对所述第一平面结构进行辐照获得卷曲结构；步骤S5、将获取卷曲结构后的样品置于聚焦离子束系统中，并利用线扫描和/或线切割使所述卷曲结构折叠，得到三维微纳折纸结构。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中：所述第一薄膜材料为通过转移方法得到的金属薄膜、介质薄膜中的一种；所述介质薄膜包括氮化硅薄膜窗口、二氧化硅薄膜窗口、硅薄膜窗口中的一种；所述光刻胶为电子束光刻胶或紫外光刻胶。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述第一平面结构为单次曝光的平面结构，或者通过套刻得到的多层平面结构。4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3之后还包括：通过曝光的方式基于所述第一平面结构形成第二预定图形的第二平面结构；所述第二平面结构为单次曝光的平面结构，或者通过套刻得到的多层平面结构。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述刻蚀为采用干法刻蚀...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾长志，潘如豪，李俊杰，金爱子，杨海方，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11