一种基于电场调控的三维薄膜成型方法技术

本申请提出一种基于电场调控的三维薄膜成型方法，光源产生光线照射到数字微镜阵列上，从数字微镜阵列反射的光具备特定的图案，经过一系列透镜后光线垂直照射到光导材料层，从而形成特定图案的虚拟电极形状，进而控制薄膜的三维形态。该方法可制备传统光刻难以制备的三维形貌，且成本远低于光刻、物理刻蚀等加工方法，加工效率也有所提高。材料不只局限于光固化材料，也可制备能够热固化的材料。也可制备能够热固化的材料。也可制备能够热固化的材料。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电场调控的三维薄膜成型方法


[0001]本申请涉及膜成型
，尤其涉及一种基于电场调控的三维薄膜成型方法。

技术介绍

[0002]薄膜材料在各个领域扮演着越来越重要的地位，其中薄膜的几何结构是控制薄膜材料性质的主要参数之一。现有的薄膜材料几何形貌控制方式有光刻、光固化3D打印等。光刻方式最常用于制备二维的几何结构，也有通过灰度光刻的方式进行三维形貌制备的技术，但对设备和工艺的要求极其苛刻，成品率较低。3D打印可方便地制备薄膜的三维构型，但一般精度较低，目前市面上光固化3D打印精度在20μm左右，更高的精度需要特定的设备，多停留在实验室阶段，且加工的薄膜材料必须具备较好的光固化特性。本专利技术提出一种利用电场控制油水界面形态从而制备三维薄膜材料构型的方法和工艺，制备的薄膜形貌几何精度高、设备成本低，且对材料光固化性能要求低。
[0003]现有的薄膜材料三维形貌制备方式：
[0004]1)灰度光刻技术：光刻技术最常用于制备二维薄膜形貌，但如果光刻过程中的掩膜是灰度图形，即透过掩膜的光随着掩膜的透光性不同而使其光强分布不均匀，则光刻胶固化程度不同。显影过程中固化程度高的光刻胶不容易被溶解，而固化程度低的光刻胶容易被溶解，则相同的显影时间下不同位置的光刻胶高度不同，形成对应的三维形貌。
[0005]2)3D打印技术：3D打印技术通过对几何模型进行分层，逐层构建二维图形并堆积成三维形貌。
[0006]3)物理刻蚀技术：物理刻蚀本质上是通过激光、离子数、电子束等高能量密度的能量流对材料表面水相蒸发，通过控制束流强度和刻蚀时间实现对材料表面不同位置的刻蚀深度，进而形成三维形貌。
[0007]现有技术的缺点：
[0008]1)灰度光刻技术：相比于普通光刻工艺，对设备性能和光刻工艺要求更加严格，需要根据材料特性严格控制烘烤参数、曝光参数和显影参数，整体工艺成本很高。
[0009]2)3D打印技术：市面上的光固化3D打印技术最高精度约为20μm，实验室通过激光直写的3D打印技术可以达到几百纳米的精度，但设备成本高，且加工效率较低。
[0010]3)物理刻蚀技术：物理刻蚀技术同样需要特殊设备支持，且刻蚀效率极低，一般刻蚀的形貌特征在纳米级别，成本高于光刻。

技术实现思路

[0011]本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0012]针对薄膜材料三维形貌的常见加工方式成本高、效率低的现状，本专利技术提出一种通过电场力控制油水界面变形从而实现三维形貌的薄膜材料制备工艺，即一种基于电场调控的三维薄膜成型方法，采用液池、数字微镜阵列、透镜和光源，所述液池的底部为自上而下依次紧密贴合的介电层、光导材料层和透明导电层；成型方法包括以下步骤：
[0013]步骤A，液池内先放入非极性液体，再放入极性液体，电源的一极电连接于透明导电层，电源的另一极电连接于极性液体内，电源处于断电状态；
[0014]步骤B，光源产生的光线照射到数字微镜阵列上，从数字微镜阵列反射的光具备特定图案，光经过透镜并透过透明导电层后，垂直照射到光导材料层，形成与数字微镜阵列相同图案的虚拟电极形状；
[0015]步骤C，将电源处于通电状态，极性液体与非极性液体的界面在电场力的作用下发生变形，随着通电时间增加，极性液体或非极性液体在界面处发型形变，液态薄膜形成与数字微镜阵列图案水平分布相同但厚度上存在截面变化的三维形态；
[0016]步骤D，界面形态稳定后，将液态薄膜固化，固化完全后进行清洗，获得与数字微镜阵列图案水平分布相同但厚度上存在截面变化的三维形态的固态薄膜。
[0017]在一些实施例中，所述步骤C中，电源的电压发生变化，界面的变形程度也随之发生变化，电压越大，变形程度越大，形成变形程度不同的液态薄膜。
[0018]在一些实施例中，所述步骤D中，固化的方式为光固化或热固化。
[0019]在一些实施例中，所述光固化的方式采用紫外光固化。
[0020]在一些实施例中，所述热固化的方式为采用在液池外壁贴覆加热片或者热辐射的方式。
[0021]在一些实施例中，所述透镜为凸透镜或起到凸透镜效果的菲涅尔透镜。
[0022]在一些实施例中，所述透镜设有多个，形成能够使数字微镜阵列反射后的光垂直照射到光导材料层的透镜组。
[0023]在一些实施例中，所述光导材料层采用氢化非晶硅。
[0024]在一些实施例中，所述透明导电层为ITO导电层。
[0025]在一些实施例中，所述数字微镜阵列以DMD芯片的形式存在，且采用高分辨率DMD芯片。
[0026]本申请实施例的方法，可制备传统光刻难以制备的三维形貌，且成本远低于光刻、物理刻蚀等加工方法，加工效率也有所提高。材料不只局限于光固化材料，也可制备能够热固化的材料。
[0027]本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0028]本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，
[0029]图1
‑
2为电场控制油水界面变形原理图；
[0030]图3
‑
4为本申请实施例中的三维薄膜成型方法的示意图；
[0031]其中：
[0032]图1为施加电场瞬间时油水界面的状态图；
[0033]图2为界面稳定后油水界面的状态图。
[0034]图3为本申请实施例中的三维薄膜成型的原理图；
[0035]图4为图3中在不同电压下的薄膜形态示意图；
[0036]附图标记：
[0037]1‑
极性液体；2
‑
非极性液体；3
‑
介电层；4
‑
电极基板；5
‑
电源；6
‑
光导材料层；7
‑
透明导电层；8
‑
透镜；9
‑
光源；10
‑
数字微镜阵列；11
‑
紫外光；12
‑
液池。
具体实施方式
[0038]原理：如图1
‑
2所示，油水界面在电场中时会受到电场力的作用而发生变形，所受到的电场力垂直于油水界面。极性液体1、非极性液体2、介电层3和电极基板4按如图1方式布置，极性液体1和电极基板4分别连接电源5两极。通电瞬间，非极性液体2中电场分布如图1中的曲线，电场分布呈现不均匀的状态，靠近电极基板4位置的电场强度较大，因此该位置的油水界面受到更大的垂直于油水界面的电场力。电场力方向与界面两侧液体的介电常数ε1和ε2的相对大小有关，电场力方向朝向介电常数小的一侧，与电场线方向无关。在图1中极性液体1的介电常数ε1大于非极性液体2的介电常数ε2，则电场力方向朝向非极性液体2。电场分布不均匀，油水界面受到的电场力大小不同，靠近电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，采用液池、数字微镜阵列、透镜和光源，所述液池的底部为自上而下依次紧密贴合的介电层、光导材料层和透明导电层；成型方法包括以下步骤：步骤A，液池内先放入非极性液体，再放入极性液体，电源的一极电连接于透明导电层，电源的另一极电连接于极性液体内，电源处于断电状态；步骤B，光源产生的光线照射到数字微镜阵列上，从数字微镜阵列反射的光具备特定图案，光经过透镜并透过透明导电层后，垂直照射到光导材料层，形成与数字微镜阵列相同图案的虚拟电极形状；步骤C，将电源处于通电状态，极性液体与非极性液体的界面在电场力的作用下发生变形，随着通电时间增加，极性液体或非极性液体在界面处发生形变，液态薄膜形成与数字微镜阵列图案水平分布相同但厚度方向上截面变化的三维形态；步骤D，界面形态稳定后，将液态薄膜固化，固化完全后进行清洗，获得与数字微镜阵列图案水平分布相同但厚度方向上截面变化的三维形态的固态薄膜。2.根据权利要求1所述的基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，所述步骤C中，电源的电压发生变化，界面的变形程度也随之发生变化，形成变形程度不同的液态薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：李中南，王海军，王洪磊，
申请(专利权)人：煤炭科学研究总院，
类型：发明
国别省市：