一种形态可控柔性微纳米柱阵列的制造方法与流程

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种形态可控柔性微纳米柱阵列的制造方法。

背景技术：
高深宽比聚合物微纳米柱阵列具有比表面积大和良好的电磁波调制能力，广泛应用于太阳能电池中电子的增强吸收、生物领域中的细胞检查和颗粒分离、功能涂层(超疏水和超疏油)、微流控芯片等领域。目前，高深宽比聚合物微纳米柱阵列的制备方法主要有：静电纺丝法、纳米压印法、电诱导成型法以及模具复型法。其中，静电纺丝法是指聚合物溶液(或熔体)在高压电场的作用下形成纤维的过程，其核心是使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，于是得到微纳米柱状物质；纳米压印法主要包括热压印、紫外纳米压印和微接触印刷，纳米压印法依赖于模具，通过微孔模具挤压聚合物，经过加热/紫外光处理，获得与模具图形结构互补的聚合物微柱结构；电诱导成型法是利用静电力实现对介电聚合物的流变驱动，实现微纳米柱子结构制备；模具复型法是把流动的聚合物浇注在微孔阵列的模具上，通过真空环境实现聚合物充分填充微孔，加热固化之后，脱模获得聚合物微纳米柱阵列。现阶段高深宽比聚合物微纳米柱阵列的制造工艺存在以下问题：静电纺丝法制备的微纳米柱或纤维强度较低，另外难以得到彼此分离的纳米纤维长丝或短纤维，产量很低；纳米压印法引入的机械压力会引发纳米结构几何变形、变尺寸结构填充不均匀等问题；电诱导成型法以及模具复型法依赖于模板，模板一般通过干法刻蚀获得，其制造成本较高，此外模具复型法脱模过程中容易出现微米柱断裂的问题等。另外，现有工艺难以实现倾斜或者复杂的聚合物微纳米柱阵列的制造。这些问题严重制约了含有聚合物微纳米柱阵列的器件功能可靠性。

技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形态可控柔性微纳米柱阵列的制造方法，实现低成本、快速的制造聚合物微纳米柱阵列，同时实现聚合物微纳米柱形态以及聚合物微纳米柱阵列图形化的调控，具有操作简单、成本低、周期短的优点。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种形态可控柔性微纳米柱阵列的制造方法，包括以下步骤：1)先在基底表面涂覆水溶胶粘附层，然后在水溶胶粘附层上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；再在光刻胶表面通过刮涂法得到粒径D的微纳米颗粒图形化，然后去除光刻胶，得到微纳米颗粒的图形化模板；2)将聚合物涂覆在衬底表面，然后对衬底进行预加热，预加热参数：温度60-90℃，时间为2-10分钟；3)将图形化模板表面的微纳米颗粒接触并嵌入聚合物中，嵌入深度T＝1-500μm；4)再提拉图形化模板，使聚合物被拉伸为微纳米柱阵列，提拉方向与水平方向夹角为α，0＜α＜180°，提拉速率为10-1000μm/s，时间为1-10s，然后对衬底加热使微纳米柱阵列固化，加热温度100-180℃，时间为10-30分钟；5)再加热图形化模板，加热温度为100-200℃，时间为1-5分钟，使微纳米颗粒脱离水溶胶粘附层，得到顶端带有微纳米颗粒的微纳米柱阵列；6)最后将微纳米柱阵列顶端的微纳米颗粒去除，获得聚合物的微纳米柱阵列。所述的步骤1)微纳米颗粒为球形聚苯乙烯、正方体三氧化二铟或柱状氯化钠。所述的步骤2)中聚合物为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PS(聚苯乙烯)或PTT(聚氨酯)。所述的步骤3)中微纳米颗粒的粒径D与其嵌入聚合物嵌入深度T的关系为：D＞T＞0。所述的步骤6)使用甲苯、硝酸或去离子水去除微纳米颗粒。本发明的优点在于：通过微纳米颗粒的图形化操控实现聚合物微纳米柱形态以及聚合物微纳米柱阵列图形化的调控；通过调控微纳米颗粒嵌入聚合物深度、预热温度、提拉速率和提拉时间，实现聚合物微纳米柱高深宽比的调控，具有可控性精确、操作性简易优点；同时，通过改变提拉方向与水平方向夹角α(0＜α＜180°)，可以调控微纳米柱的倾斜角度；通过加热模板使水溶胶粘附层粘性降低，从而使得微纳米颗粒脱落，完成聚合物微纳米柱阵列与模板的分离，有效避免了传统脱模过程中微纳米柱容易断裂的问题。本发明具有操作简单、成本低、周期短的优点。附图说明图1是实施例1制造微纳米颗粒图形化的模板示意图。图2是实施例1模板嵌入聚合物示意图。图3是实施例1提拉模板拉伸聚合物示意图。图4(a)是对模板加热使微纳米颗粒脱离粘附层示意图，图4(b)是微纳米颗粒脱离粘附层示意图。图5去实施例1除微纳米颗粒获得聚合物微纳米柱阵列示意图。图6(a)是实施例2模板嵌入聚合物示意图，图6(b)是实施例2提拉模板拉伸聚合物示意图，图6(c)是实施例2去除微纳米颗粒获得聚合物微纳米柱阵列示意图。图7(a)是实施例3制造微纳米颗粒图形化的模板示意图，图7(b)是实施例3模板嵌入聚合物示意图，图7(c)是实施例3提拉模板拉伸聚合物示意图，图7(d)是实施例3去除微纳米颗粒获得聚合物微纳米柱阵列示意图。具体实施方式下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例1一种形态可控柔性微纳米柱阵列的制造方法，包括以下步骤：1)参照图1和图2，先在基底1表面涂覆水溶胶粘附层2，然后在水溶胶粘附层2上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；再在光刻胶表面通过刮涂法得到粒径D1＝5μm的微纳米颗粒3的图形化，然后去除光刻胶，得到微纳米颗粒3的图形化模板，微纳米颗粒3为球形聚苯乙烯；2)参照图2，将聚合物4涂覆在衬底5表面，然后对衬底5进行预加热，预加热参数：温度为60℃，时间为10分钟，聚合物4为PDMS(聚二甲基硅氧烷)；3)参照图2，将图形化模板表面的微纳米颗粒3接触并嵌入聚合物4，嵌入深度T1＝2μm；4)参照图3，再提拉图形化模板，使聚合物4被拉伸为微纳米柱阵列6，提拉参数：提拉方向与水平方向夹角为α＝90°，提拉速率为10μm/s，时间为10s；提拉的微纳米柱阵列6长度S1＝100μm，然后对衬底5加热使微纳米柱阵列6固化，加热温度为100℃，保持30分钟；5)参照图4(a)，再加热图形化模板，加热温度为100℃，时间为5分钟，使微纳米颗粒3脱离水溶胶粘附层2，参照图4(b)，得到顶端带有微纳米颗粒3的微纳米柱阵列6；6)参照图5，最后通过甲苯将微纳米柱阵列6顶端的微纳米颗粒3溶解，获得聚合物4的微纳米柱阵列6，从而得到与水平方向夹角为α＝90°的PDMS的聚合物4的微纳米柱阵列6。实施例2一种形态可控柔性微纳米柱阵列的制造方法，包括以下步骤：1)先在基底1表面涂覆水溶胶粘附层2，然后在水溶胶粘附层2上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；再在光刻胶表面通过刮涂法得到粒径D2＝10μm的微纳米颗粒3的图形化，然后去除光刻胶，得到微纳米颗粒3的图形化模板，微纳米颗粒3为正方体三氧化二铟；2)将聚合物4涂覆在衬底5表面，然后对衬底5进行预加热，预加热参数：温度为75℃，时间为6分钟，聚合物4为PS(聚苯乙烯)；3)参照图6(a)，将图形化模板表面的微纳米颗粒3接触并嵌入聚合物4，嵌入深度T2＝5μm；4)参照图6(b)，再提拉图形化的模板，使聚合物4被拉伸为微纳米柱阵列6，提拉参数：提拉方向与水平方向夹角为α＝45°，提拉速率为500μm/s，时间为5s；提拉的微纳米柱阵列6长度S2＝2500μm，然后对衬底5加热使微纳米柱阵列6固化，加热温度为140℃，保持15分钟；5)再加热图形化模板，加热温度为150℃，时间为2分钟，使微纳米颗粒3脱离水溶胶粘附层2，得到顶端带有微纳米颗粒3的微纳米柱阵列6，6)参照图6(c)，最后通过硝酸溶液将微纳米柱阵列6顶端的微纳米颗粒3溶解，获得聚合物4的微纳米柱阵列6，从而得到与水平方向夹角为α＝45°的PS的聚合物4微纳米柱6阵列。实施例3一种形态可控柔性微纳米柱阵列的制造方法，包括以下步骤：1)参照图7(a)，先在基底1表面涂覆水溶胶粘附层2，然后在水溶胶粘附层2上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；然后在光刻胶表面通过刮涂法得到粒径D3＝200μm的微纳米颗粒3口字型的图形化；去除光刻胶得到微纳米颗粒3口字型的图形化模板，微纳米颗粒3为柱状氯化钠；2)将聚合物4涂覆在衬底5表面，然后对衬底5进行预加热，预加热参数：温度为90℃，时间为2分钟，聚合物4为PTT(聚氨酯)；3)参照图7(b)，将图形化模板表面的微纳米颗粒3接触并嵌入聚合物4，嵌入深度T3＝50μm；4)参照图7(c)，再提拉图形化模板，使聚合物4被拉伸为微纳米柱阵列6，提拉参数：提拉方向与水平方向夹角为α＝135°，提拉速率为1000μm/s，时间为6s；提拉的微纳米柱阵列6长度S3＝6000μm，然后对衬底5加热使微纳米柱阵列6固化，加热温度为180℃，保持10分钟；5)加热图形化模板，加热温度为200℃，时间为1分钟，使微纳米颗粒3脱离水溶胶粘附层2，得到顶端带有微纳米颗粒3的微纳米柱阵列6；6)参照图7(d)，最后通过去离子水将微纳米柱阵列6顶端的微纳米颗粒3溶解，获得聚合物4的微纳米柱阵列6，从而得到与水平方向夹角为α＝135°的PTT的聚合物4的微纳米柱阵列6。