專利名稱：一種用于制備納米線陣列的模板的制造方法
技術領域：
本發明屬于新型納米結構材料制備與器件應用技術領域，具體涉及一種用于制備
納米線陣列的模板及其制造技術。
背景技術：
在過去十幾年里，納米技術得到了飛速發展。人們已經能夠利用多種制備技術如 化學氣相沉積、水熱合成、熱蒸發等，來制造多種材料如金屬、半導體、陶瓷、聚合物的納米 線、納米管等多種納米結構。然而迄今為止，要快速、低成本、可控地制備排列有序的低維結 構材料，仍然是個具有挑戰性的課題。雖然已有精密的技術工藝能夠制造出納米尺度的結 構圖案，但在絕大多數情況下，這些技術要么圖案成形速度慢且制造成本高(例如電子束 曝光)，要么只適用于某些特定的材料體系或特定的制備技術。例如材料低維結構(如納米 線、納米點及其陣列結構)的自組織生長就只適用于某些特定的材料體系，并且缺乏可控 性及重復性差。 另一方面，薄膜的開裂現象已被作為材料的破壞性特征研究了幾十年，其主要的 產生機理是由于薄膜材料中機械應力或熱應力的引入。例如通過彎曲覆蓋有脆性薄膜的柔 韌襯底即引入大的機械應力，或對沉積在熱膨脹系數小的硬質襯底上的熱膨脹系數大的薄 膜引入高熱應力，都可以使得覆蓋在襯底表面的薄膜形成裂縫。熱應力引入導致薄膜開裂 的現象，是由于薄膜與其所覆蓋的襯底材料之間存在足夠大的熱膨脹系數差異。因此，利用 薄膜與襯底材料熱脹冷縮程度的不同，通過"低溫_高溫"之間的冷熱循環處理，很容易導 致熱膨脹系數大的薄膜材料產生開裂現象。
發明內容
本發明基于引入熱應力的方法，提供一種用于制備納米線陣列的模板的制造方
法，利用襯底與薄膜兩種材料熱膨脹系數的巨大差異，在熱膨脹系數大的薄膜產生納米級
裂縫。這種薄膜表面所形成的納米級裂縫可以被用做生產納米線的模板。 本發明提供一種用于制備納米線陣列的模板的制造方法。采用熱膨脹系數小于
15*10—l—1的襯底材料和熱膨脹系數大于50*10—l—1的軟質薄膜，利用襯底與薄膜兩種材料
熱膨脹系數的巨大差異，在熱膨脹系數大的薄膜材料上引入足夠大的熱應力，然后在瞬間
將其釋放，熱膨脹系數大的薄膜表面形成排列規則、有序的裂紋，得到用于制備納米線陣列
的模板，制備步驟如下 (1)選取一塊表面平整、質地較硬、強度好、熱膨脹系數小于15*10—t—1的薄片材料 作為襯底材料，首先采用旋涂(Spin Coating)法在襯底表面鍍覆一層厚度為500 600納 米的熱膨脹系數大于50*10—I—1的軟質薄膜，然后烘干； (2)利用光刻技術將軟質薄膜刻蝕成長條形圖案，使得留在襯底表面的長條狀軟 質薄膜的寬度為5 15微米之間； (3)將光刻后得到的長條狀的軟質薄膜連同硬質襯底一起，在70 9(TC溫度范圍加熱10 15分鐘； (4)將加熱后的襯底連同長條狀軟質薄膜浸入液氮或液氦中，2 3秒鐘后將其從 液氮或液氦中取出，軟質薄膜在液氮或液氦中浸淬后形成裂紋，將其置于顯微鏡下觀察，在 長條狀的軟質薄膜區域內見到規則排列的多條線狀裂紋，裂紋形成處的襯底暴露，此時模 板制作即告完成。 本發明的工藝步驟(1)中所述的熱膨脹系數小于15*10—t—1的襯底材料可以是單 晶硅拋光片、單晶藍寶石拋光片、石英玻璃片或普通玻璃片。 本發明的工藝步驟(1)中所述的熱膨脹系數大于50*10—I—1的軟質薄膜材料可以 是聚合物薄膜，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜。 本發明的工藝步驟(1)中提到的軟質薄膜的厚度在500 600納米之間可調。
本發明的工藝步驟(2)中提到的長條狀軟質薄膜寬度在5 15微米之間可調，長 度不限。經光刻后在襯底上可以只保留一條長條薄膜，也可以保留多條長條薄膜。若保留 多條長條薄膜，則兩相鄰長條狀軟質薄膜之間的距離也不限，一般取間距不小于1毫米。
本發明的工藝步驟(4)中提到的軟質薄膜在液氮或液氦中浸淬后形成裂紋，寬度 在50 300納米之間可調，裂紋的深度即為軟質薄膜的厚度。 本發明利用襯底與薄膜二種材料熱膨脹系數的巨大差異，在熱膨脹系數大的薄膜 材料上引入足夠大的熱應力，然后在瞬間將其釋放，而應力釋放的結果是熱膨脹系數大的 薄膜產生納米級裂縫。這種薄膜表面所形成的納米級裂縫可以被用做生產納米線的模板。 這種基于薄膜開裂所形成的裂紋模板制備納米線的技術相對于電子束曝光等技術，具有工 藝簡單且成本低的特征。 不僅如此，本發明首先結合光刻工藝以控制熱膨脹系數大的薄膜的形狀和尺寸， 獲得寬度為5 15微米不等的長條形的薄膜，同時控制好薄膜的厚度；然后通過冷熱循環 處理的方法，便可使得該長條形薄膜表面形成排列規則、有序的裂紋。利用該裂紋陣列作為 模板，可以進一步制備排列有序的納米線陣列，而該納米線陣列將有望在納米線陣列傳感 器方面，或在陣列型脊型光波導器件方面得到應用。
本發明的主要技術優點在于 相對于采用電子束曝光等工藝制備納米線陣列而言，采用本發明涉及的模板制備 納米線陣列的工藝簡單、過程參數容易控制、成本低；相對于納米線列陣的自組織生長僅適 合于特定的材料體系并且重復性較差而言，本發明涉及的模板對于制備幾乎所有材料的納 米線列陣都適合，并且重復性好；相對于利用陽極氧化鋁模板(AA0)所制備的納米線陣列 垂直于襯底表面而言，本發明涉及的模板可用于制備平行于襯底的納米線陣列。利用該模 板制備的納米線列陣，可在傳感器和陣列型脊型光波導器件等領域得到應用。
圖1是根據本發明的實施例1所制備的一條寬度為10微米的長條狀聚合物薄膜 模板的顯微鏡照片。模板內有規則排列的鋸齒狀裂紋陣列。裂紋的寬度約180納米，長度 約13微米。 圖2是根據本發明的實施例2所制備的一條寬度為8微米的長條狀聚甲基丙烯酸 甲酯(PMMA)聚合物薄膜模板的顯微鏡照片。模板內有規則排列的鋸齒狀裂紋陣列。裂紋
4的寬度約200納米，長度約9微米。
具體實施方式
實施例1 (1)選取一塊厚度約為380微米的鏡面拋光的單晶硅片作為襯底材料，首先采用
旋涂(spin-coating)法在襯底表面涂覆一層厚度為600納米的聚合物薄膜； (2)利用光刻技術將聚合物薄膜刻蝕成長條形圖案，使得駐留在襯底表面的長條
狀聚合物薄膜的寬度為10微米，聚合物薄膜長條之間的間距在2毫米； (3)將光刻后得到的長條狀的聚合物薄膜連同襯底一起在8(TC溫度的大氣環境
下加熱15分鐘； (4)將加熱后的聚合物薄膜連同硅襯底一起浸入液氮中，2秒鐘后將其從液氮中 取出，即可在涂覆有聚合物薄膜的區域見到規則排列的裂紋。裂紋的寬度為180納米左右， 長度約13微米，裂紋的深度即為聚合物薄膜的厚度。 本實施例制備得到的納米線陣列模板樣品的顯微鏡照片，見圖1。
實施例2 (1)選取一塊鏡面拋光的單晶硅片作為襯底材料，首先采用旋涂(spin-coating) 法在襯底表面涂覆一層厚度為550納米的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜；
(2)利用光刻技術將PMMA薄膜刻蝕成長條形圖案，使得留在襯底表面的長條狀 PMMA薄膜的寬度為8微米，PMMA薄膜長條之間的間距在1毫米； (3)將光刻后得到的長條狀的PMMA薄膜連同襯底一起在9(TC溫度的大氣環境下 加熱12分鐘； (4)將加熱后的PMMA薄膜連同硅襯底一起浸入液氮中，3秒鐘后將其從液氮中取 出，即可在鍍覆有PMMA薄膜的區域見到規則排列的裂紋。裂紋的寬度約為200納米，長度 約9微米，裂紋的深度即為PMMA薄膜的厚度。 本實施例制備得到的納米線陣列模板樣品的顯微鏡照片，見圖2。
權利要求
一種用于制備納米線陣列的模板的制造方法，采用熱膨脹系數小于15*10-6K-1的襯底材料和熱膨脹系數大于50*10-6K-1的軟質薄膜，利用襯底與薄膜兩種材料熱膨脹系數的巨大差異，在熱膨脹系數大的薄膜材料上引入足夠大的熱應力，然后在瞬間將其釋放，熱膨脹系數大的薄膜表面形成排列規則、有序的裂紋，得到用于制備納米線陣列的模板，制造步驟如下1)選取一塊表面平整、質地較硬、強度好、熱膨脹系數小于15*10-6K-1的薄片材料作為襯底材料，首先采用旋涂法在襯底表面涂覆一層厚度為500～600納米的熱膨脹系數大于50*10-6K-1的軟質薄膜，然后烘干；2)利用光刻技術將軟質薄膜刻蝕成長條形圖案，使留在襯底表面的長條狀軟質薄膜的寬度在5～15微米之間；3)將光刻后得到的長條狀的軟質薄膜連同硬質襯底一起，在70～90℃溫度范圍加熱10分鐘至15分鐘；4)將加熱后的襯底連同長條狀軟質薄膜浸入液氮或液氦中，2～3秒鐘后將其從液氮或液氦中取出，軟質薄膜在液氮或液氦中浸淬后形成裂紋，將其置于顯微鏡下觀察，在長條狀的軟質薄膜區域內見到規則排列的線狀裂紋，線狀裂紋的寬度為納米量級，裂紋形成處的襯底暴露，得到用于制備納米線陣列的模板。
2. 根據權利要求1所述的用于制備納米線陣列的模板的制造方法，其特征是所述線狀裂紋的寬度在50 300納米之間可調，裂紋的深度即為軟質薄膜的厚度，線狀裂紋的長度在7 20微米之間可調。
3. 根據權利要求1所述的用于制備納米線陣列的模板的制造方法，其特征是所述襯底材料是單晶Si拋光片、單晶藍寶石拋光片或普通玻璃片。
4. 根據權利要求1所述的用于制備納米線陣列的模板的制造方法，其特征是所述軟質薄膜是聚合物薄膜。
5. 根據權利要求4所述的用于制備納米線陣列的模板的制造方法，其特征是所述軟質薄膜是聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種用于制備納米線陣列的模板的制造方法，采用熱膨脹系數小于15＊10-6K-1的襯底材料和熱膨脹系數大于50＊10-6K-1的軟質薄膜，利用襯底與薄膜兩種材料熱膨脹系數的巨大差異，在熱膨脹系數大的薄膜材料上引入足夠大的熱應力，然后在瞬間將其釋放，熱膨脹系數大的薄膜表面形成排列規則、有序的裂紋。利用該裂紋陣列作為模板，用于制備納米線陣列，本發明工藝簡單、過程參數容易控制、成本低，重復性好。
文檔編號B82B3/00GK101723314SQ200910157108
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者邱東江 申請人:浙江大學