本发明有关一种三维孔洞结构制造技术，旨在提供一种可有效缩短加工时间，且所完成的三维孔洞结构的粒子排列效果相对较更紧密、可靠的三维孔洞结构制造方法，以及与其相关的三维孔洞结构制造装置。
背景技术：
按，多孔性材料中的孔洞若其孔径接近光波长且若具有高度的排列秩序则该多孔洞材质拥有特殊且高实用性的光学性质，可广泛应用于光催化、生物载体、吸附、过滤、绝缘、半导体以及微量感应等领域。
巨孔洞多孔结构由于具有特定的物理结构，因此可使光波在物质中的电磁特性加以改变，可使得电磁波在此具有高度排列秩序的材料中的行为将有如电子在晶体中般可被介质的空间结构、排列周期、结构形式以及介电常数所控制，因此不需要改变介质本身的化学结构，仅需在介质的波长尺度以及光子能隙进行设计便可制造出具有不同光特性的产物，此种新式的人工晶体称为光子晶体(photonic crystal)，被视为非常具有潜力的新一代光电材料。
光子晶体的基本架构为在一维、二维、或三维上具有周期性排列的介质所组成，其中一维的架构即是一般所谓的光学多层膜，它被广泛用在光学镜片上，由周期排列的多层介质膜造成一维的光子能隙，使某些波段的光子无法穿越，达成高效率的反射。具有二维、三维的周期性排列结构则是目前最受到重视的光子晶体。
已知，能够以自组装模式制造三维光子晶体，其主要采用均一粒径的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化硅等将粒子利用自然、离心、真空抽气过滤法等方式令将粒子于一基板上自组装形成三维孔洞结构，再以其表面具有三维孔洞结构的基板为模板，于该模板上添加无机氧烷单体使其进行溶胶凝胶反应，最后利用锻烧与萃取等方式将基板移除，即可生成具有光子晶体性质的三维有序多孔微结构。
然而，用以在基板表面形成制作三维孔洞结构的方法不但需耗费数日，难以达到大量生产的规模，且所完成的三维孔洞结构普遍出现粒子排列松散的现象；因此，如何能够以相对较少的时间制作制作三维孔洞结构，且如何让所完成的制作三维孔洞结构的粒子排列效果更为紧密、可靠，一直是产业界及学术界所亟欲解决的课题。
技术实现要素：
本发明所解决的技术问题即在提供一种可有效缩短加工时间，且所完成的三维孔洞结构的粒子排列效果相对较更紧密、可靠的三维孔洞结构制造方法，以及与其相关的三维孔洞结构制造装置。
本发明所采用的技术手段如下所述。
本发明所揭露的三维孔洞结构制造方法，基本上包括下列步骤：a.提供悬浮液及基板，该悬浮液中含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子，且将该基板放置于该悬浮液中；b.提供附着电场，于该悬浮液中提供垂直作用于该基板的表面的附着电场，使该悬浮液中的粒子沉积于该基板的表面；c.提供塑形电场，于该附着电场作用预先设定的时间后，将该表面沉积有预先厚度的粒子的基板自该悬浮液中移出，且在该基板表面的粒子之间尚具备移动条件的状态下，于该基板外围提供作用于该基板的塑形电场，由该塑形电场驱动该基板表面所沉积的粒子移动至不具备移动条件的最紧密状态，即可于该基板表面形成由多数粒子呈六方堆叠的三维孔洞结构。
利用上述技术特征，可由附着电场与粒子之间的作用力，令粒子快能够以较快的速度沉积于基板表面，以及在后续塑形电场的作用下，令沉积基板表面的粒子彼此推挤并自组装形成由多数粒子呈六方最密堆叠的三维孔洞结构。从而可有效缩短三维孔洞结构的加工时间，以及获致粒子排列效果相对较更紧密、可靠的三维孔洞结构。
依据上述技术特征，所述该三维孔洞结构制造方法，于该基板表面预先设有供限制粒子沉积区域的图案。
所述该三维孔洞结构制造方法，将该基板直立放置于该悬浮液的状态下提供附着电场。
所述该三维孔洞结构制造方法，将该基板水平放置的状态下提供塑形电场。
所述该三维孔洞结构制造方法，将该基板直立放置于该悬浮液的状态下提供附着电场；以及，将该基板以水平放置的状态下提供塑形电场。
本发明所揭露的三维孔洞结构制造装置，供驱动多个粒子自组装形成三维孔洞结构；该三维孔洞结构制造装置，基本上包括有：一第一工作区，容置有悬浮液，该悬浮液含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子，且于该悬浮液中置入至少一基板；一附着电场产生器，供于该第一工作区所容置的悬浮液中，产生作用于该第一工作区所放置的基板的附着电场；一第二工作区，供放置一表面已沉积有预先设定厚度的粒子的基板；复数塑形电场产生器，供分别产生作用于该第二工作区所放置的基板的塑形电场。
依据上述技术特征，所述该三维孔洞结构制造装置，于该第一工作区所放置的基板表面，预先设有供限制粒子沉积区域的图案。
所述该第一工作区供其所放置的基板直立放置于该悬浮液中。
所述该第二工作区供其所放置的基板水平放置。
所述第一工作区供其所放置的基板直立放置于该悬浮液中；以及，该第二工作区供其所放置的基板水平放置。
所述各该塑形电场产生器所产生的塑形电场为脉冲式电场。
所述各该塑形电场产生器可供产生正向塑形电场以及反向塑形电场。
所述该三维孔洞结构制造装置，进一步包括一与各该塑形电场产生器电性连接的控制器，该控制器可供控制各该塑形电场产生器产生脉冲式电场。
所述该三维孔洞结构制造装置，进一步包括一与各该塑形电场产生器电性连接的控制器，该控制器可供切换各该塑形电场产生器所产生的塑形电场为正向塑形电场或反向塑形电场。
所述该三维孔洞结构制造装置，进一步包括一与各该塑形电场产生器电性连接的控制器，该控制器可供控制各该塑形电场产生器产生脉冲式电场，以及可供切换各该塑形电场产生器所产生的塑形电场为正向塑形电场或反向塑形电场。
本发明所产生的有益效果如下。
本发明所揭露的三维孔洞结构制造方法，以及与其相关的三维孔洞结构制造装置，主要利用附着电场与粒子之间的作用力，令粒子快能够以较快的速度沉积于基板表面，以及在后续塑形电场的作用下，令沉积于基板表面的粒子彼此推挤并自组装形成由多数粒子呈六方最密堆叠的三维孔洞结构；除能够以相对较短的制作时间得到无缺陷、连续性佳且大面积的三维孔洞结构之外，更有助于藉此转制出其它材质的大面积三维有序微结构。
附图说明
图1为本发明的三维孔洞结构制造方法基本流程图。
图2为本发明的三维孔洞结构制造装置的基本组成架构图。
图3为本发明于悬浮液中提供作用于基板的附着电场时的粒子沉积状态示意图。
图4为本发明于悬浮液中提供作用于基板的塑形电场时的粒子自组装状态示意图。
图号说明：
10三维孔洞结构
11粒子
20悬浮液
30基板
41第一工作区
42第二工作区
51附着电场产生器
52塑形电场产生器。
具体实施方式
本发明主要提供一种可有效缩短加工时间，且所完成的三维孔洞结构的粒子排列效果相对较更紧密、可靠的三维孔洞结构制造方法，以及与其相关的三维孔洞结构制造装置，如图1所示，本发明的三维孔洞结构制造方法，基本上包括：a.提供悬浮液及基板、c.提供附着电场、c.提供塑形电场等步骤；其中：在提供悬浮液及基板的步骤当中，该悬浮液中含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子，且将该基板置入该悬浮液中；于实施时，各该粒子可为粒径大小均一的二氧化硅颗粒或聚合物颗粒(例如聚苯乙烯)，但不限于此；至于，该基板可以为一可导电的基板(例如电阻率小于105 ohm-cm)；甚至，可进一步于该基板表面预先设有供限制粒子沉积区域的图案。
在提供附着电场的步骤中，于该悬浮液中提供垂直作用于该基板的表面的附着电场，如图3所示，使该悬浮液20中的粒子11沉积于该基板30的表面；于实施时，将该基板30以直立方式置于该悬浮液20的状态下提供附着电场为佳，当然所述直立放置并不限于该基板30与该悬浮液20的液面垂直，亦即该基板30与悬浮液20的液面为其它角度的夹角亦不脱离本发明的范围。
在提供塑形电场的步骤中，于该附着电场作用预先设定的时间后，将该表面沉积有预先厚度的粒子11的基板30自该悬浮液20中移出，如图4所示，且在该基板30表面的粒子11之间尚具备移动条件的状态下，举例而言，维持基板30表面的粒子11的湿润度(例如控制空气相对湿度为50~100%)或控制干燥的速度，以避免粒子失去移动性，提供作用于该基板30的塑形电场，由该塑形电场驱动该基板30表面所沉积的粒子11移动至不具备移动条件的最紧密状态，即可于该基板30表面形成由多数粒子11呈六方最密堆叠的三维孔洞结构10；其中，该三维孔洞结构10至少部分有序堆叠排列。
在提供塑形电场的步骤中，将该基板30水平放置的状态下提供塑形电场；又，该塑形电场的电场方向可从该基板30的四周朝向该基板30，以及从该基板的表面所沉积的粒子11方向朝向该基板30；至于，该塑形电场可以为脉冲式电场，甚至该塑形电场的电场方向可包含正向电场以及反向电场。
据以，本发明的三维孔洞结构制造方法，即可由附着电场与粒子11之间的作用力，令粒子11快能够以较快的速度沉积于基板30表面，以及在后续塑形电场的作用下，令沉积于基板30表面的粒子11彼此推挤并自组装形成由多数粒子11呈六方最密堆叠的三维孔洞结构10。从而可有效缩短三维孔洞结构10的加工时间，以及获致粒子排列效果相对较更紧密、可靠的三维孔洞结构10。
再者，本发明的三维孔洞结构制造方法，于具体实施时，所述附着电场的作用时间及功率，可视悬浮液20的浓度及粒子11的材质而有所调整；至于，所述塑形电场的作用时间及功率，则可视粒子11的材质、粒子11沉积层数，以及粒子11的湿润程度而有所调整。
如图2至图4所示，本发明的三维孔洞结构制造装置，供驱动多个粒子自组装形成三维孔洞结构10；该三维孔洞结构制造装置，基本上包括有：一第一工作区41、一附着电场产生器51、一第一工作区42，以及复数塑形电场产生器52；其中：该第一工作区41容置有悬浮液20，该悬浮液20含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子11，且于该悬浮液20中置入至少一基板30；于实施时，该第一工作区41供该至少一基板30直立放置于该悬浮液20中；同样的，各该粒子11可为粒径大小均一的二氧化硅颗粒或聚合物颗粒(例如聚苯乙烯)，但不限于此；以及，该基板30可以为一可导电的基板(例如电阻率小于105 ohm-cm)，且可进一步于该基板30表面预先设有供限制粒子11沉积区域的图案(图略)。
该附着电场产生器51供于该第一工作区41所容置的悬浮液20中，产生垂直作用于该至少一基板30的表面的附着电场；于实施时，该附着电场产生器51的启动时间及功率，可视悬浮液20的浓度及粒子11的材质而有所调整。
该第二工作区42供放置一表面已沉积预先设定厚度的粒子11的基板30；于实施时，所述该第二工作区42供该基板30水平放置。
至于各该塑形电场产生器52，分别产生作用于该第二工作区42所放置的基板30的塑形电场；在本实施例中，整体三维孔洞结构制造装置，分别在相对于该第二工作区42所放置的基板30四周，以及在相对于该第二工作区42所放置的基板30沉积有粒子11的板面上方处，分别设有一塑形电场产生器52。
使塑形电场的电场方向可从该第二工作区42所放置的基板30四周朝向该基板30，以及从该第二工作区42所放置的基板30沉积有粒子11的板面上方朝向该基板30；各该塑形电场产生器52的启动时间及功率，则视粒子11的材质、粒子11沉积层数，以及粒子11的湿润程度而有所调整。
再者，本发明的三维孔洞结构制造装置，于实施时，各该塑形电场产生器52所产生的塑形电场可以为脉冲式电场；以及，各该塑形电场产生器52可产生正向塑形电场以及反向塑形电场；在本实施例中，整体三维孔洞结构制造装置，进一步包括一与各该塑形电场产生器52电性连接的控制器53。
不仅可由该控制器53控制各该塑形电场产生器52产生脉冲式电场，或由该控制器53切换各该塑形电场产生器52所产生的塑形电场为正向塑形电场或反向塑形电场，例如，可透过周期性切换各该塑形电场产生器52交互产生正向塑形电场以及反向塑形电场的方式，产生类似轻敲容器使容器内的弹珠形成最密堆积的排列效果；当然，该控制器53可供控制各该塑形电场产生器52产生脉冲式电场，以及可供切换各该塑形电场产生器52所产生的塑形电场为正向塑形电场或反向塑形电场为佳。
与传统技术相较，本发明所揭露的三维孔洞结构制造方法，以及与其相关的三维孔洞结构制造装置，主要利用附着电场与粒子之间的作用力，令粒子快能够以较快的速度沉积于基板表面，以及在后续塑形电场的作用下，令沉积于基板表面的粒子彼此推挤并自组装形成由多数粒子呈六方最密堆叠的三维孔洞结构；除能够以相对较短的制作时间得到无缺陷、连续性佳且大面积的三维孔洞结构之外，更有助于藉此转制出其它材质的大面积三维有序微结构。