纳米针阵列及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米针阵列及其制备方法和应用。本发明专利技术纳米针阵列制备方法包括的步骤有：在基底表面上形成待刻蚀基材膜层；在所述待刻蚀基材膜层表面形成用于刻蚀纳米针阵列的掩膜层；从所述掩膜层至所述基底的方向，对形成有所述掩膜层的所述待刻蚀基材膜层表面进行第一刻蚀处理，形成纳米柱阵列；对所述纳米柱阵列中的纳米柱的顶端进行第二刻蚀处理，在所述纳米柱顶端形成尖端结构，形成纳米针阵列。所述纳米针阵列所含的纳米针包括纳米针本体，在所述纳米针本体的针头部为尖端结构。

【技术实现步骤摘要】
纳米针阵列及其制备方法和应用
本专利技术属于微纳生物芯片制造
，具体涉及一种纳米针阵列及其制备方法和应用。
技术介绍
金刚石是性能独特的多功能材料，集电学、光学、力学、热学等极端物化性质于一体。一维纳米金刚石除了具有金刚石固有的物理化学性质以外，其形貌及尺寸的改变也使其拥有一些块体金刚石所没有的特性，如既硬又弹的力学性能、高的比表面积、尖端效应等。因此，一维纳米金刚石阵列在药物传递、化学和生物传感器、高性能电极、分析传感器、量子信息器件等诸多领域都有重要的应用。利用高深宽比纳米材料机械刺穿细胞膜的技术逐渐成为一种极具前景的向细胞内递送物质和实现细胞内探测的手段。有研究表明，可以利用硅纳米线或纳米针阵列实现细胞内神经网络探测和细胞内药物传输的应用。硅纳米针/线阵列的制备通常是基于光刻掩膜板或纳米球掩膜板，并利用金属辅助湿法化学刻蚀技术获得。与硅纳米材料相比，一维超硬材料如金刚石纳米结构可保持非常高的杨氏模量、屈服强度和断裂强度。有报道采用单根直径800nm以下金刚石纳米针向细胞内递送物质且没有造成细胞的严重损害，但是该方法需要使用AFM并且通量极低。如在公开的一种利用纳米针阵列向细胞内传递物质的装置和方法技术方案中，利用该方法可以简单方便地直接传输需要进入细胞的物质透过细胞膜。化疗药物、抗体以及其他生物分子都可以直接被传递到胞质内，而无需通过传统的细胞传递信号通路。利用该方法能够成功转染神经细胞，其转染效率高达45％，仅需时10分钟。如在公开的另一份技术方案中利用金刚石、立方氮化硼、氮化碳、氮化硼、掺硼氮化碳、金属硼化物等材料的纳米针可以实现向细胞内传递物质。然而目前制备纳米针阵列薄膜的手段可控性差，深宽比较小，且制备成本高昂。例如，利用Au、SiO2和Al2O3、Fox-16等材料做抗蚀剂，通过光刻技术获得刻蚀掩膜板，然后进行反应离子体刻蚀的方法，可以获得整齐排布、密度可调控的纳米针阵列薄膜。但是这些方法普遍存在价格非常昂贵，制备流程复杂，曝光时间长，纳米柱尺寸参数难以调整，制备面积小，批量生产难等缺点，而且刻蚀生长的纳米针阵列尺寸有限、可控性差。另一些研究表明，当反应离子刻蚀中离子动能较高，且金刚石薄膜附近存在易于被离子溅射的材料时，这些材料有可能被溅射到金刚石薄膜表面从而自发形成刻蚀掩模。相对而言，自发形成掩模的反应离子刻蚀过程非常简单、迅速，价格较低。但是这一过程的随机性非常大，许多刻蚀参数之间相互作用、相互耦合，纳米针阵列形成的工艺窗口非常窄，难以获得尺寸、密度分布均匀，大面积制备的纳米针阵列。另外，现有的技术方法仅限于制备硅基底上的纳米针阵列，并用于细胞内的检测。然而为了实现纳米针阵列薄膜在更广泛药物传递和生物传感中的应用，例如有时需要易于与其它设备或器件连接，或需要透明，或具备柔韧性以适应弯曲的生物组织结构，需要普适的制备方法适合更广泛的基底材料选择。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种纳米针阵列及其制备方法，旨在解决现有纳米针阵列制备方法存在的纳米柱尺寸参数难以调整，制备面积小，批量生产难，刻蚀生长的纳米针阵列尺寸有限、可控性差的技术问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术的一方面，提供了一种纳米针阵列的制备方法。所述纳米针阵列的制备方法包括如下步骤：在基底表面上形成待刻蚀基材膜层；在所述待刻蚀基材膜层的背离所述基底表面形成用于刻蚀纳米针阵列图案的掩膜层；从所述掩膜层至所述基底的方向，对形成有所述掩膜层的所述待刻蚀基材膜层表面进行第一刻蚀处理，形成纳米柱阵列；对所述纳米柱阵列中的纳米柱的顶端进行第二刻蚀处理，在所述纳米柱顶端形成尖端结构，形成纳米针阵列。其中，所述第二刻蚀处理采用法拉第笼等离子体刻蚀处理。本专利技术的另一方面，提供了一种纳米针阵列。所述纳米针阵列所含的纳米针包括纳米针本体，在所述纳米针本体的针头部为尖端结构，且所述尖端结构的直径为2nm-150nm，所述纳米针本体的针身部的直径250-1000nm，所述纳米针本体的长度2-20μm。本专利技术的再一方面，本专利技术提供了本专利技术纳米针阵列的应用。所述纳米针阵列在药物传输、细胞转染、生物芯片和生物传感器、电化学传感器和量子信息器件、扫描探针显微技术中的探针材料领域中的应用。与现有技术相比，本专利技术纳米针阵列制备方法通过法拉第笼等离子体刻蚀处理形成纳米针的尖端结构，使得所述尖端结构形状、尖锐度和尺寸可控，克服了现有制备方法纳米针的尖端结构不可控的不足。通过对掩膜层形成控制，可以实现对纳米针阵列的形状轮廓和密度单独调节，从而使得所述制备方法可控，从而有效克服了现有纳米针阵列制备方法制备的如金刚石纳米针阵列随机性较强导致难以得到形貌一致和密度可控性的金刚石纳米针、以及金刚石纳米针形状轮廓和阵列密度调节工艺互相影响的不足。另外，本专利技术纳米针阵列的制备方法工艺条件可控性好，能有效保证生长的纳米针阵列相关参数稳定，而且效率高，可批量制备，降低了成本。本专利技术纳米针阵列具有2nm-150nm纳米级的尖端结构，针身部的直径小为250-1000nm，因此，纳米针的深宽比大。正是由于本专利技术纳米针阵列具有尺寸小的尖端结构，且深宽比大。因此，本专利技术纳米针阵列能够在药物传输、细胞转染、生物芯片、生物传感器、化学和电化学传感器、量子信息器件、扫描探针显微技术中的探针材料等领域中的应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为纳米针阵列制备方法流程工艺步骤示意图；图2为纳米针阵列制备方法流程示意图；图3本专利技术实施例通过电子束光刻定义刻蚀掩膜层的图案；图4本专利技术实施例通过反应离子刻蚀形成掩膜层的图案；图5本专利技术实施例用以实现反应离子刻蚀形成掩膜层的刻蚀装置所含金属底托的一种结构示意图；图6为在图5所示金属底托结构的基础上进一步优化结构和增设有偏压电极层03和绝缘层04的结构示意图；图7为反应离子刻蚀常规金属基底托结构示意图；图8为本专利技术实施例利用法拉第笼刻蚀纳米针的尖端部的流程示意图；图9为实施例1刻蚀所形成的金刚石纳米针阵列25000倍的SEM图；图10为实施例1刻蚀所形成的金刚石纳米针阵列1250倍的SEM图；图11为实施例1刻蚀所形成的金刚石纳米针阵列5000倍的SEM图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例中未注明具体条件者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米针阵列的制备方法，包括如下步骤：/n在基底表面上形成用于刻蚀纳米针阵列的待刻蚀基材膜层；/n在所述待刻蚀基材膜层的背离所述基底表面形成用于刻蚀纳米针阵列图案的掩膜层；/n从所述掩膜层至所述基底的方向，对形成有所述掩膜层的所述待刻蚀基材膜层表面进行第一刻蚀处理，形成纳米柱阵列；/n对所述纳米柱阵列中的纳米柱的顶端进行第二刻蚀处理，在所述纳米柱顶端形成尖端结构，形成纳米针阵列；/n其中，所述第二刻蚀处理采用法拉第笼等离子体刻蚀处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种纳米针阵列的制备方法，包括如下步骤：
在基底表面上形成用于刻蚀纳米针阵列的待刻蚀基材膜层；
在所述待刻蚀基材膜层的背离所述基底表面形成用于刻蚀纳米针阵列图案的掩膜层；
从所述掩膜层至所述基底的方向，对形成有所述掩膜层的所述待刻蚀基材膜层表面进行第一刻蚀处理，形成纳米柱阵列；
对所述纳米柱阵列中的纳米柱的顶端进行第二刻蚀处理，在所述纳米柱顶端形成尖端结构，形成纳米针阵列；
其中，所述第二刻蚀处理采用法拉第笼等离子体刻蚀处理。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述法拉第笼等离子体刻蚀处理包括如下步骤：
将所述纳米针阵列置于法拉第笼中后，启动等离子体对所述纳米柱顶端进行刻蚀处理；其中，对所述纳米柱顶端进行所述刻蚀处理的条件为：通入O2/Cl2作为反应气体，O2流量为30-60sccm，Cl2流量为2-10sccm，反应气体的流量为32-70sccm，工作压强为5-20mTorr，ICP电源功率为500-800W，施加在基片台上射频功率为50-300W，刻蚀时间为1-10min。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述法拉第笼的底部直径为20-200mm，倾斜角为10-50°。


4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：在所述待刻蚀基材膜层表面形成所述掩膜层的方法包括如下步骤：
将形成有所述待刻蚀基材膜层的所述基底置于刻蚀机的金属基底托上，启动对所述待刻蚀基材膜层表面进行等离子体刻蚀，形成所述掩膜层；其中，所述金属底托的处于刻蚀腔室内的表面上开设有凹槽，且所述凹槽开口端的横截面面积大于底部的横截面积，所述凹槽的侧壁为斜面；所述基底置于所述凹槽的底部表面上，且所述待刻蚀基材膜层背离所述凹槽的底部表面。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：由所述基底至所述凹槽底部表面方向，还依次层叠有偏压电极层和绝缘层，所述偏压电极层与设置在所述金属底托外的偏压射频电源连接，且所述偏压电极层和待刻蚀基材膜层以及所述基底均通过所述绝缘层与所述金属底托绝缘。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述偏压电极层的面积小于或等于所述待刻蚀基材膜层的面积并被所述待刻蚀基材膜层遮挡，所述绝缘层的面积大于或等于所述待刻蚀基材膜层的面积以将所述待刻蚀基材膜层绝缘于所述金属底托的凹槽内表面。


7.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨扬，史鹏，张文军，
申请(专利权)人：深圳市安瑞生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44