一种基于液态镓的冷冻离心纳米压印方法技术

本发明专利技术公开了一种基于液态镓的冷冻离心纳米压印方法，包括：制备表面具有微纳米级凹凸结构图案的压印模板；将液态金属镓加入容器中，再将压印模板有凹凸结构的一面覆盖在液态镓的表面；将容器放置于离心机中，使液态镓在低温条件下离心并凝固；离心后揭掉镓表面的压印模板，得到表面压印出微纳米凹凸结构的固态镓。本发明专利技术克服了液态金属镓因表面张力大而在常规重力条件下难以制备出纳米级结构的不足，从而可在镓表面压印出各种形貌精细可控的高分辨率微纳米结构。此外，本发明专利技术工艺简便、成本低，适合大面积和批量化的微纳米结构压印制造，有望在半导体和芯片制造、光刻替代、柔性电子以及可穿戴设备等领域具有很好的研究和应用价值。用价值。用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态镓的冷冻离心纳米压印方法


[0001]本专利技术属于纳米压印材料
，具体涉及一种通过冷冻离心法将压印模板表面的微纳米凹凸结构转印到液态金属镓材料的表面，并固化镓基微纳米压印结构的方法。

技术介绍

[0002]纳米压印技术是一种利用表面带有微纳米级凹凸结构图案的模板，通过机械压印的方式将模板上的图案转移到待压印材料上的先进微纳加工工艺。主要步骤包括：1)制备压印模板：通过电子束光刻、离子束刻蚀或光学光刻等微加工技术，在硬模板或软模板材料的表面加工出特定的凹凸结构图案；2)准备压印材料：选择具有良好可塑性、表面平整度以及能够固化的材料作为待压印材料，如可热固化或光固化的聚合物；3)压印：将压印模板与涂覆有待压印材料的基板接触并施加机械压力，从而将压印模板上的微纳米结构转移至压印材料表面，之后再使压印材料固化以稳定微纳米结构；4)分离模板：通过机械或化学手段将压印模板与压印材料分离，即可在压印材料表面获得所需的微纳米结构。
[0003]纳米压印技术具有高分辨率、高可扩展性、制造成本低和制造工艺简单等优点，可用于大面积、高效、可重复的复制制造特定的微纳米结构。纳米压印技术在许多领域具有广阔的应用前景，如制造纳米电子元件(如纳米晶体管、纳米线电极)、微纳米光学元件(如微透镜阵列、光栅、太阳能电池增透膜、表面等离子体共振结构、超表面)、微流道装置(如微反应器、微混合器)、超高存储密度磁盘、生物医学/化学传感器及芯片等。
[0004]光刻机被誉为人类文明智慧的结晶，是当前芯片制造过程中不可缺少的设备。目前，制备7nm及以下制程的芯片所需的极紫外线(EUV)光刻机被荷兰ASML公司所垄断。由于EUV光刻机的制造过程极其复杂，制造和使用成本高昂，业界正在探索替代方案。例如，全球三大光刻机制造商之一的日本佳能公司正投入巨资押注纳米压印技术为EUV光刻最有潜力的替代技术之一。2022年，佳能的纳米压印技术已实现15nm芯片制程，并预计将于2025年研发出量产5nm芯片的纳米压印设备。据估算，如使用纳米压印技术，晶圆的制造成本将比现有EUV光刻机降低40％，能耗减少90％。随着高新技术如人工智能、自动驾驶、大数据、5G、物联网的迅猛发展，中国乃至全球对芯片的需求量迅速增长，而制约我国芯片产业发展的关键技术之一就是高精度、高效率的制造技术。纳米压印技术作为一种先进的微纳加工技术，具有高精度、高效率和低成本的优势，可以为我国的芯片和半导体等产业的发展提供重要的技术支撑。因此，积极探索新型纳米压印技术，对提高我国在芯片和半导体等相关科研和工业领域的自主创新能力和核心竞争力，推动产业向高端化、智能化、绿色化方向发展，具有重要的战略意义和发展潜力。
[0005]另一方面，金属镓是一种银白色的金属材料，其熔点为29.76℃，沸点高达2204℃。这使得镓成为除汞外极少数能在室温下呈液态的金属之一，并且液态镓的蒸汽压极低，一般情况下不必担心类似汞的金属蒸汽挥发的问题。此外，镓已被证实是一种稳定、安全无毒的金属材料。金属镓因其具有温度敏感可控的固态/液态可逆转换能力，以及优异的可塑性、变形性、导电性、导热性和机械强度等特性，已成为众多领域的研究前沿和热点，如可穿
戴/可拉伸/可自我修复/柔性的电子器件、可变形液态金属机器人以及高效热管理材料等。此外，金属镓中的镓原子之间主要通过金属键、范德华力和共价键相互连接。由于镓原子的半径很小(约为0.135nm)，理论上镓材料可以实现原子级别的表面平整度和结构分辨率。镓因具有上述这些独特的性质，有望成为一种理想和潜在的新型纳米压印材料。然而，镓原子之间较强的金属键使得液态镓通常具有很高的表面张力(约为718mN/m)，这使得液态镓在接触到其他材料表面时倾向于自发形成一个球形，即形成所谓的“汞珠”。因此，液态镓的高表面张力特性通常会阻碍镓充分的浸润和填充到压印模板的精细凹凸结构中，特别是纳米级的凹凸结构中，这严重限制了镓在纳米压印技术中的应用。目前，镓及其低熔点合金所制造的微观结构的分辨率通常只能达到微米级。

技术实现思路

[0006]针对液态金属镓因表面张力过大而难以应用于纳米压印技术的巨大挑战，本专利技术的目的是利用离心力克服常规地球重力条件下液态镓材料难以压印出纳米级凹凸结构的不足，而实现离心过程中液态镓对压印模板上纳米级凹凸结构的离心式压印填充。此外，通过低温冷冻离心条件控制镓由液态凝固成固态，从而确保镓基纳米压印结构的及时固化和保留。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术一个方面，提供一种基于液态镓的冷冻离心纳米压印方法，包括以下步骤：
[0008](1)制备表面具有微纳米级凹凸结构图案的压印模板；
[0009](2)将液态金属镓加入容器中，再将压印模板有凹凸结构的一面覆盖在液态金属镓的表面；
[0010](3)将装有液态金属镓和压印模板的容器置于离心机中，在低温冷冻条件下离心处理至液态金属镓被挤压填充到压印模板的微纳米凹凸结构中，镓逐渐由液态凝固成固态，离心后揭掉镓表面的压印模板，得到表面压印出微纳米凹凸结构的固态镓。
[0011]进一步的，步骤(1)所述压印模板的材质为聚合物、氧化物、金属、陶瓷、玻璃、半导体材料、纳米材料中的任一种。
[0012]进一步的，步骤(1)所述压印模板表面的微纳米级凹凸结构的特征尺寸为1nm至1000μm。
[0013]进一步的，步骤(2)中所述液态金属镓为纯镓或含镓的低熔点合金。
[0014]进一步的，所述步骤(2)还包括对液态金属镓进行纯化处理。
[0015]进一步的，步骤(3)所述离心处理为将装有液态金属镓和压印模板的容器置于含水平转子的离心机中进行离心。
[0016]进一步的，步骤(3)所述离心处理的加速度大于或等于9.8m/s2。
[0017]进一步的，步骤(3)所述低温冷冻条件为低于29.76℃的温度。
[0018]进一步的，步骤(3)所述的固态镓表面压印出的微纳米凹凸结构的特征尺寸为1nm至1000μm。
[0019]与现有技术相比，本专利技术能够取得下列有益效果：
[0020]1、本专利技术通过离心技术实现了在金属镓材料表面制备出各种精细可控的微纳米级凹凸结构，从而克服了液态金属镓在常规重力条件下因表面张力过大，而难以在其表面
制备纳米结构的不足。
[0021]2、目前常用的纳米压印材料多为可热固化或光固化的聚合物材料，其分子链可在受热或紫外光照射后形成固态的交联结构。这种化学交联过程通常是不可逆的，这限制了材料的方便去除和回收再利用。本专利技术使用金属镓作为纳米压印材料，通过控制温度可以方便地调节镓原子之间的距离和金属键的强度，从而可实现金属镓在固液相之间的可逆转化，这将方便镓基压印材料的移除和回收再利用。
[0022]3、由于液态金属和常规的聚合物压印材料在材料物理与化学性质上具有较大的差异，本专利技术提供的这种基于液态金属的冷冻离心纳米压印技术可赋予纳米压印以更好的精度、效率和多功能性。
[0023]4、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态镓的冷冻离心纳米压印方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备表面具有微纳米级凹凸结构图案的压印模板；(2)将液态金属镓加入容器中，再将压印模板有凹凸结构的一面覆盖在液态金属镓的表面；(3)将装有液态金属镓和压印模板的容器置于离心机中，在低温冷冻条件下离心处理至液态金属镓被挤压填充到压印模板的微纳米凹凸结构中，镓逐渐由液态凝固成固态，离心后揭掉镓表面的压印模板，得到表面压印出微纳米凹凸结构的固态镓。2.根据权利要求1所述的基于液态镓的冷冻离心纳米压印方法，其特征在于，步骤(1)所述压印模板的材质为聚合物、氧化物、金属、陶瓷、玻璃、半导体材料、纳米材料中的任一种。3.根据权利要求1所述的基于液态镓的冷冻离心纳米压印方法，其特征在于，步骤(1)所述压印模板表面的微纳米级凹凸结构的特征尺寸为1nm至1000μm。4.根据权利要求1所述的基于液态镓的冷冻...

【专利技术属性】
技术研发人员：范闻，聂修宇，陈越，徐祖顺，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：