基于薄膜材料的三维自支撑微纳米功能结构的制备方法技术

本发明专利技术是基于薄膜材料的三维自支撑微纳米功能结构的制备方法，其包括步骤：在清洗过的光滑衬底上过渡层的制备；制备纳米薄膜并从光滑衬底上剥离纳米薄膜；制备具有孔洞结构的支撑衬底；将纳米薄膜到孔洞结构支撑衬底上的转移；在纳米薄膜上制备微纳图形；离子束辐照诱导纳米薄膜上微纳图形产生形变及形成三维自支撑微纳米结构的成品。本发明专利技术是基于纳米薄膜上微纳米结构的制备与离子束辐照诱导的三维形变相结合，制备自支撑三维微纳米功能结构体的新方法，具有工艺灵活、效率高、可控性好，低成本和可大面积制备等特点，所制备的微纳图形的结构、形貌、尺寸、周期可设计、材料种类多并具有新奇功能与物性等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维微纳器件
，是三维自支撑微纳米功能结构及阵列的制作方法，特别涉及一种基于纳米薄膜材料的生长，支撑的纳米薄膜上微纳米图形的加工以及离子束辐照对支撑的纳米薄膜平面内的微纳米图形进行形变操纵来制备不位于支撑衬底平面内的三维微纳米功能结构与器件的技术。
技术介绍
随着微电子工艺的发展，器件向着小型化发展的困难也在逐步增大，三维器件的构造无疑成为提高器件集成密度的一个重要途径。寻找一种三维可控的空间纳米结构的制造方法已经引起越来越多人的关注。三维空间微纳米结构有着广泛的应用，人们通过双光子干涉曝光、激光烧蚀、激光干涉曝光、灰度曝光、聚焦电子束/离子束刻蚀、沉积、辐照等工艺，制备出了多种多样的三维微纳结构，制备了例如微纳镊子，三维光子晶体，三维超材料阵列等一系列的器件结构。但是现有的三维微纳器件的制备方法都有着种种缺陷通过双光子干涉曝光、激光烧蚀、激光干涉曝光等工艺制备的三维结构的图形尺寸受激光光斑大小的影响很大，制备出的三维图形最小尺寸都在微米量级左右；灰度曝光工艺的图形分辨率依赖于曝光光斑的大小，对电子束灰度曝光来说的话分辨率可以达到纳米量级，但是由灰度曝光制备的三维结构都比较简单，对于自支撑的三维纳米结构的制备灰度曝光是无能为力的，而且也无法实现高高宽比图形的金属化或功能化处理；聚焦电子束/离子束刻蚀、辅助沉积可以制备自支撑的三维微纳米结构，但不仅要耗费大量的时间，而且无法制备高纯的金属材料。因此急需发展一种功能化自支撑三维纳米结构的可设计、可控、高效的大面积制备方法。这里我们通过将纳米厚度的薄膜制备成自支撑结构，通过支撑层的制备和微纳加工图形化的方法，制备出大量的平面内的仅一端与纳米薄膜体相连的微纳米图形结构，然后利用离子束辐照技术来诱导控制纳米薄膜平面内的微纳米图形向着离子束的方向弯曲，从而制备自支撑的三维微纳米功能结构阵列，大大扩展了三维微纳结构的制备范围，为三维微纳器件的加工应用提供了新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备三维自支撑微纳米功能结构阵列的方法，通过离子束辐照使支撑的微纳米薄膜图形形变与衬底形成一定夹角从而形成三维立体纳米结构，实现真正意义上三维自支撑微纳米结构的制备，为三维微纳器件的应用提供新技术。为达到上述目的，本专利技术提供基于纳米薄膜结构的三维自支撑微纳米功能结构的制备方法，所述方法技术解决方案的步骤包括如下步骤S1:光滑衬底的清洗；步骤S2 :在干净光滑的衬底上制备一层过渡层；步骤S3 :在有过渡层的光滑衬底上生长纳米薄膜；步骤S4 :将有过渡层的光滑衬底上生长纳米薄膜放入能溶解过渡层的溶液中，使过渡层溶解并将长在过渡层上的纳米薄膜与衬底分离，并使纳米薄膜漂浮或悬浮在溶剂液中，由此形成具有漂浮纳米薄膜的体系；步骤S5 :在支撑衬底上通过微纳加工手段制备孔洞或者凹陷结构，制备出具有孔洞结构的支撑衬底；步骤S6 :将具有孔洞结构的支撑衬底放入到步骤S4处理完毕的具有漂浮纳米薄膜的体系中，移动具有孔洞结构的支撑衬底，使纳米薄膜附着在具有孔洞结构的支撑衬底上表面，并从溶液中将附有纳米薄膜的具有孔洞结构的支撑衬底取出，得到支撑的纳米薄步骤S7 :在支撑的纳米薄膜本体上制备与支撑的纳米薄膜局部相连的微纳米图形；或在支撑的纳米薄膜上加工或生长局部支撑结构，并且制备与局部支撑结构相连的微纳米图形；步骤S8 :对步骤S7中微纳米图形进行离子束辐照，利用离子束的辐照作用，使微纳米图形弯曲变形，形成三维立体薄膜微纳米结构，得到三维自支撑微纳米功能结构的成品O优选实施例，其特征在于，步骤S2中所述过渡层的材料是不与步骤SI中的衬底以及所要生长的纳米薄膜发生反应的光刻胶、聚合物、表面活性剂、或是家用洗洁精中的一种或几种的组合，并在纳米薄膜生长后仍能溶于所需的溶液即可。优选实施例，其特征在于，步骤S3中纳米薄膜的材料是半导体、金属或绝缘介质中的一种或几种的组合；所述纳米薄膜的面积尺寸略大于孔洞结构的尺寸，略大于孔洞结构的尺寸是用于将纳米薄膜搭接在具有孔洞结构的支撑衬底上；所制备的纳米薄膜是单层，或是多层。优选实施例，其特征在于，步骤S5中支撑衬底是利用微纳加工的方法，将支撑衬底表面图形化，然后利用图形转移方法形成所需要的支撑衬底；或支撑衬底是市场能够购买到网栅结构。优选实施例，其特征在于，步骤S7中局部支撑结构的制备是在支撑的纳米薄膜上进行、或者在纳米薄膜还未剥离光滑衬底之前进行，即在纳米薄膜生长后就进行纳米薄膜上表面的局部支撑结构的制备；局部支撑结构是能形成固体微纳米结构的金属、半导体、或介质材料的一种或几种的组合；局部支撑结构的制备方法是采用微纳加工的手段，所述微纳加工的手段包括是光学曝光或者电子束曝光来形成所需的光刻胶图形，然后利用金属沉积，溶脱去掉多余的金属和残胶后即形成所需的局部支撑结构；或是整体沉积一层局部支撑材料层，然后利用曝光工艺制备出光刻胶的图形，以光刻胶的图形为掩模来对样品进行刻蚀，去掉残余的光刻胶后即得到所需的纳米薄膜表面的局部支撑结构；或是利用电子束或离子束辅助沉积的方法来直接沉积得到纳米薄膜表面的局部支撑结构。优选实施例，其特征在于，步骤S8中所述图形发生弯曲形变所使用的离子束种类是聚焦离子束，或是宽束离子束；离子束中离子的能量大于500电子伏特。优选实施例，其特征在于，所采用离子束的辐照方式包括对孔洞支撑衬底及其上所有的微纳米图形结构的整体进行辐照，或对某些区域进行选择性局部辐照；采用不同的离子束辐照参数，控制纳米薄膜上微纳米图形弯曲程度，并使弯曲的图形与纳米薄膜平面的夹角范围控制在O到180°之间。优选实施例，其特征在于，所述离子束辐照参数包括离子束的能量、剂量、束流、离子束的扫描速度、扫描方式、离子束辐照次数以及离子束入射角，所述离子束入射角是入射离子束与微纳米结构图形所在平面的夹角。本专利技术的有益效果本专利技术中，依次通过纳米薄膜在光滑衬底上的生长，纳米薄膜与光滑衬底的分离，孔洞支撑衬底的制备，纳米薄膜到孔洞支撑衬底的转移，纳米薄膜上局部支撑结构与微纳米图形的加工，离子束辐照诱导支撑的纳米薄膜平面内微纳米图形的三维形变这一系列的工艺过程。这些过程的有机结合，其特点在于可通过多种薄膜生长的方法获得各种薄膜材料，能满足多领域不同的需求；采用过渡层溶解的方法使薄膜材料与衬底分离，经济、简单、实用；采用微纳加工的方法获得孔洞支撑衬底结构，具有高度的灵活性与可操作性；采用各种微纳加工手段在支撑的纳米薄膜上进行局部支撑结构与微纳图形制备，具有高可控性、高精度、高重复性等特点；通过离子束辐照，使支撑的薄膜平面内的微纳米图形发生可控的三维形变，具有大面积、高可控、可设计、和高效等特点。通过这一技术制备的自支撑三维微纳米结构图形复杂、功能独特、材料种类齐全。这一技术可克服传统微纳加工技术在三维图形制备中的严重不足，即无法同时实现复杂图形形状可设计、多功能化、大面积、高效、可控加工的瓶颈。本专利技术大大扩展了三维微纳米结构的制备范围，为新型多功能三维微纳器件的加工应用提供了新方法。〔维自支撑微纳米功能结构阵列的方法的流程图。〔维自支撑微纳米功能结构阵列的方法制备的纳米盒子。三维自支撑微纳米功能结构阵列的方法制备的纳米对折三维自支撑微纳米功能结构阵列的方法制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于薄膜结构的三维自支撑微纳米功能结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：步骤S1：光滑衬底的清洗；步骤S2：在干净光滑的衬底上制备一层过渡层；步骤S3：在有过渡层的光滑衬底上生长纳米薄膜；步骤S4：将有过渡层的光滑衬底上生长纳米薄膜放入能溶解过渡层的溶液中，使过渡层溶解并将长在过渡层上的纳米薄膜与衬底分离，并使纳米薄膜漂浮或悬浮在溶剂液中，由此形成具有漂浮纳米薄膜的体系；步骤S5：在支撑衬底上通过微纳加工手段制备孔洞或者凹陷结构，制备出具有孔洞结构的支撑衬底；步骤S6：将具有孔洞结构的支撑衬底放入到步骤S4处理完毕的具有漂浮纳米薄膜的体系中，移动具有孔洞结构的支撑衬底，使纳米薄膜附着在具有孔洞结构的支撑衬底上表面，并从溶液中将附有纳米薄膜的具有孔洞结构的支撑衬底取出，得到支撑的纳米薄膜；步骤S7：在支撑的纳米薄膜本体上制备与支撑的纳米薄膜局部相连的微纳米图形；或在支撑的纳米薄膜上加工或生长局部支撑结构，并且制备与局部支撑结构相连的微纳米图形；步骤S8：对步骤S7中微纳米图形进行离子束辐照，利用离子束的辐照作用，使微纳米图形弯曲变形，形成三维立体薄膜微纳米结构，得到三维自支撑微纳米功能结构的成品。...

【技术特征摘要】
1.一种基于薄膜结构的三维自支撑微纳米功能结构的制备方法，其特征在于，包括步骤步骤S1:光滑衬底的清洗；步骤S2 :在干净光滑的衬底上制备一层过渡层；步骤S3 :在有过渡层的光滑衬底上生长纳米薄膜；步骤S4 :将有过渡层的光滑衬底上生长纳米薄膜放入能溶解过渡层的溶液中，使过渡层溶解并将长在过渡层上的纳米薄膜与衬底分离，并使纳米薄膜漂浮或悬浮在溶剂液中， 由此形成具有漂浮纳米薄膜的体系；步骤S5 :在支撑衬底上通过微纳加工手段制备孔洞或者凹陷结构，制备出具有孔洞结构的支撑衬底；步骤S6 :将具有孔洞结构的支撑衬底放入到步骤S4处理完毕的具有漂浮纳米薄膜的体系中，移动具有孔洞结构的支撑衬底，使纳米薄膜附着在具有孔洞结构的支撑衬底上表面，并从溶液中将附有纳米薄膜的具有孔洞结构的支撑衬底取出，得到支撑的纳米薄膜；步骤S7 :在支撑的纳米薄膜本体上制备与支撑的纳米薄膜局部相连的微纳米图形；或在支撑的纳米薄膜上加工或生长局部支撑结构，并且制备与局部支撑结构相连的微纳米图形；步骤S8 :对步骤S7中微纳米图形进行离子束辐照，利用离子束的辐照作用，使微纳米图形弯曲变形，形成三维立体薄膜微纳米结构，得到三维自支撑微纳米功能结构的成品。2.如权利要求1所述的三维自支撑微纳米功能结构的制备方法，其特征在于，步骤S2 中所述过渡层的材料是不与步骤SI中的衬底以及所要生长的纳米薄膜发生反应的光刻胶、聚合物、表面活性剂、或是家用洗洁精中的一种或几种的组合，并在纳米薄膜生长后仍能溶于所需的溶液即可。3.如权利要求1所述的三维自支撑微纳米功能结构的制备方法，其特征在于，步骤S3 中纳米薄膜的材料是半导体、金属或绝缘介质中的一种或几种的组合；所述纳米薄膜的面积尺寸略大于孔洞结构的尺寸，略大于孔洞结构的尺寸是用于将纳米薄膜搭接在具有孔洞结构的支撑衬底上；所制备的纳米薄膜是单层，或是多层。4.如权利要求1所述的三维自支撑微纳米功能结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李无瑕，崔阿娟，刘哲，顾长志，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：