无机纳米多孔膜及其形成方法技术

一种形成无机多孔膜的方法，包括：　　　　形成无机膜材料；　　　　在所述的无机膜材料上形成多孔自组装材料；和　　　　使用所述的多孔自组装材料作为掩模对膜材料制作图案。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及多孔无机膜，而且更特别地涉及改进的用于在制备过程中采用自组装材料作为牺牲模板材料形成无机膜的方法。
技术介绍
对于生物传感器和生物医学应用以及其它领域，对大约5～100nm尺度的物体(举例说，分子、蛋白质、纳米晶体、病毒)进行过滤是人们所希望的。对于不同应用类型中的使用，可采用几种不同类型的多孔膜，包括聚合物膜、硅微机械加工膜、离子径迹刻蚀膜(ion-track etched membranes)以及阳极刻蚀膜。几种因素在膜的技术适用类型中发生影响。例如，因为多孔膜工作时允许一定尺寸的物体通过而将任何更大的物体排除在外，因此品质因素为膜的孔尺寸均匀性。而且，在膜的制备过程中控制和调节孔尺寸的能力允许在膜应用的选择方面的灵活性。高的孔密度增加膜过滤的通过量。多孔材料本身对于与所通过材料的相容性和膜使用环境的相容性都是很重要的。这个问题特别涉及到生物学的应用。理想地，这些类型的膜过滤器可以以最小的复杂性和低成本进行生产，允许它们被用作可使用的器件。
技术实现思路
本专利技术提供一种纳米多孔膜结构，该结构利用自组装材料作为限定膜的孔尺寸和孔密度的牺牲层。如下面更详细说明中所描述的，自组装材料的本质是组织成均匀尺度区域的密集阵列，而且本专利技术将这些材料特性应用到无机多孔膜中。孔密度和均匀性一同改善膜过滤器的使用，如上面所述。更特别地，本专利技术提供形成无机多孔膜的方法，该方法包括在衬底上形成无机膜材料、在无机膜材料上形成多孔自组装材料，以及使用多孔自组装材料作为掩模对膜材料制作图案。在一个具体实施例方式中，为了形成掩模，本专利技术在膜材料上形成第一材料(第一材料包括自组装微粒)，然后清除微粒以在在第一材料中留下孔。本质上，膜的掩模包含改性多嵌段共聚物(multiblock copolymer)层，其中改性多嵌段共聚物层被改性使其具有被清除的一种类型的嵌段共聚物。先前放置一种类型嵌段共聚物的开口处在掩模中构成孔。本专利技术使微粒在被清除前取向于第一材料的平面。在该具体实施方式中，微粒可以包含多模聚合物，该聚合物通过溶剂或者辐射的使用进行清除。在可选择的具体实施方式中，多孔自组装材料包含阳极氧化的氧化铝膜或者化学合成纳米颗粒层(纳米颗粒间的间隙构成多孔自组装材料中的孔)。制备的无机多孔膜包含有缝隙的衬底支撑。无机膜跨过缝隙挂在衬底上。无机膜包含孔阵列，其中孔具有小于30nm的孔直径，而且孔直径分布小于20％。孔的密度大于109/cm2。通过应用自组装材料限定孔的尺寸，本专利技术传授，直径小于30nm(孔尺寸分布大约10％)的密堆孔形成规则阵列是可能的。而且，由于自组装材料本身可以不适合于用作膜，本专利技术传授，自组装材料用作模板以对下面的膜材料制作图案。这样，可以形成广泛材料的膜，每种类型拥有自组装(模板)材料的尺寸特征。本专利技术还提供制作纳米多孔膜的方法，该方法使用自组装材料作为模板将纳米级图案转移到下层材料中。附图说明图1A-1C是纳米多孔膜结构的示意图，其中纳米多孔膜结构采用自组装材料对下层的膜材料制作图案；图2A-2C说明在对下层材料层制作图案时自组装材料的使用； 图3是说明本专利技术优选方法的流程图；图4A-4H是说明本专利技术优选方法的系列示意图；以及图5A-5H是说明本专利技术优选方法的系列示意图。具体实施方式本专利技术中，一种自组装材料被用作制作纳米多孔无机膜的牺牲层，该纳米多孔无机膜可被用于分子过滤或者分子检测，以及其它。图1A-1C所示为以如此性能使用的纳米多孔膜150(形成于衬底154之上)的示意图，图例说明纳米多孔膜150用于分离两种不同尺寸的颗粒151和152(示意性地显示为球形，这种球形可以代表不同尺寸的分子)。更明确地，图1B说明颗粒151、152一起位于多孔膜150的一边。图1C说明分子过滤器150仅仅允许较小的颗粒152通过并将较大的颗粒151隔离在一边。而且，为了基于化学成分允许或者排除颗粒151、152，膜153的孔可以被化学功能化。如下面更详细的描述，本专利技术中自组装材料被用作在衬底上形成纳米孔的牺牲层，衬底可由硅或者其它材料制成。通过使用自组装材料作为在衬底上形成图案的模板，本专利技术形成材料的纳米多孔膜，该材料不是预先多孔的。膜的孔尺寸、均匀性和密度由自组装材料的特征尺寸决定。对于本专利技术的目的，“自组装材料”的术语指某些材料类型，这些材料在合适的条件下将组织成具有一定程度长程有序的均匀的纳米级的域。典型地，自组装域自己排列成六边形的格子，然而，也有某些系统组合成倾斜的和方形的格子。典型的域尺寸为小于50nm，而且在适当的材料系统中可被调整到几个nm。在这些材料中，由于域尺寸是材料的基本性质，域尺寸一致性可以具有小于10％的偏差(偏离平均值)。这些系统中，自组装材料(将进一步描述它们在该申请中的应用)的实例有双嵌段共聚物、尺寸均匀的纳米晶体、阳极氧化的氧化铝膜、以及细菌细胞的表面层(S-层)。自组装为制造传统技术可到达分辨极限以下的纳米结构提供精确、有效及简单的方法，并使其对于膜应用成为具有吸引力的选择。采用使用自组装材料可实现的域尺寸，本专利技术提供实现均匀膜的孔尺寸超过109/cm2高至1012/cm2的途径。在本专利技术的一个优选的具体实施方式中，双嵌段共聚物材料被用于产生包括纳米级域密集阵列的掩模。双嵌段共聚物材料的可能选择之一是聚苯乙烯—聚甲基丙烯酸甲酯(PS:PMMA)。通过适当选择聚合体分子重量与聚合体嵌段分子重量的比率，双嵌段共聚物膜可以在聚苯乙烯基体中被自组装成PMMA柱六边形密堆阵列。可以通过众所周知的一些方法中的方法，在衬底上旋转涂覆稀释的聚合物溶液(稀释在甲苯或者其它溶剂的聚合物)并对所获得的膜进行退火，以法线取向于膜平面制成PMMA柱。然后可以通过暴露于电子束或者紫外线并在乙酸或其它有效溶剂中进行溶解而随意去除PMMA柱。依赖于聚合物分子重量的选择，所获得的薄膜有代表性地具有六边形堆积的直径大约20纳米的孔。通过控制聚合物分子重量和两种聚合物嵌段的相对比率，可以控制孔尺寸范围从大约2纳米到大约100纳米(例如从大约10到50纳米)，孔的间距从大约2纳米到大约100纳米(例如从大约10到50纳米)。这种自组装过程简单、便宜且快速。而且，还能采用由基础分子长度范围(聚合物分子重量)确定的孔尺寸的紧密分布对孔/域的尺寸进行调整(在从大约10到＞100nm的范围内)。尽管本专利技术的上述具体实施方式使用由聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯组成的双嵌段共聚物，但还有可以应用的许多其它种类的双嵌段共聚物。一些其它双嵌段共聚物的例子包括聚环氧乙烷-聚异戊二烯，聚环氧乙烷-聚丁二烯，聚环氧乙烷-聚苯乙烯，聚环氧乙烷-聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯-聚乙烯基吡啶，聚苯乙烯-聚异戊二烯，聚苯乙烯-聚丁二烯，聚丁二烯-聚乙烯基吡啶，以及聚异戊二烯-聚甲基丙烯酸甲酯。而且，自组装膜可由含有两个或更多嵌段的嵌段共聚物形成，例如三嵌段和多嵌段共聚物。最后，通过改变组成双嵌段共聚物的两种高分子嵌段的相对分子重量比，可以调整自组装双嵌段共聚物薄膜的形态。比例大于大约80∶20，双嵌段共聚物自组装成球形。比例处于60∶40到80∶20之间，双嵌段共聚物自组装成柱形。比例处于50∶50到60∶40之间，膜呈现层状。在本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯·T·布莱克，凯思琳·W·格拉尼，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：