一种三维多尺度超材料的制备方法

本发明涉及超材料制备领域，具体而言，涉及一种三维多尺度超材料的制备方法。

背景技术：

1、超材料，是一种由人工设计并展现出自然材料所不具备的奇异特性的复合结构材料，其能通过对各种物理场的调控突破传统材料的能力边界，超材料技术可通过结构尺寸的灵活设计即可定制各种物理场响应特性，颠覆了传统材料体系中探索组分特性、寻找适当配比的材料合成方式，实现了真正意义上的按需逆向设计。随着应用需求的增长和微纳加工工艺的不断发展，超材料设计及制备技术向三维空间拓展已成为一种必要且必然的趋势，这对拓展微纳光子器件的种类和功能具有重要意义。

2、有关三维微结构在柔性电子学、超构声学和力学超材料等领域的研究已取得了许多重要进展，例如，石墨烯多孔结构平台、压敏电阻器、声学超构笼子与柔性光电探测器等新型三维人工器件已相继被发展出。目前以三维结构作为功能单元的微纳光子器件相关研究与应用仍十分有限，主要原因是受到三维制备技术的限制。在国内外众多研究人员的不懈努力下，一些用于制备三维微纳结构的新技术也已相继被发展出，其主要包括：如层堆叠技术、纳米折纸-剪纸、金属薄膜辅助纳米转移技术以及3d纳米打印技术等。然而，已发展的这些技术及其应用方面仍存在许多不足，如层堆叠技术应用场景较单一，难以制备复杂多样的三维结构；纳米剪纸术能够制备单胞尺寸1μm以上的三维结构，但难以制备大面积结构阵列，且对衬底厚度和材料类型等方面上存在诸多限制；3d纳米打印需要精确定位，这无疑会增加加工难度，且其受限于材料类型；金属薄膜辅助纳米转移技术也受制于对衬底的控制精度，使得单胞尺寸1μm以下甚至更小的三维结构难以实现大面积制备。因此，亟需发展一种实现三维多尺度超材料可控制备的新方法，为设计和实现新型微纳光子器件提供新的策略与途径。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是如何实现亚微米级甚至更小的三维结构可控大面积制备。

2、为解决上述问题，本发明提供一种三维多尺度超材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

3、s1：在刚性衬底上制备转移辅助膜；

4、s2：在步骤s1制得的转移辅助膜上覆盖支撑胶并制备平面微纳结构图案；

5、s3：在步骤s2制得的平面微纳结构图案上制备二维微纳多尺度破缺结构；

6、s4：将转移辅助膜及其上附有的二维多尺度结构转移至目标衬底；

7、s5：去除转移辅助膜；

8、s6：去除支撑胶，获得三维多尺度超材料。

9、本发明提供的三维多尺度超材料的制备方法创新地采用破缺设计的垂直结构易发生塑性变形的特性，通过非对称的结构破缺设计或不同物理性质材料的运用来调控其三维结构的弯曲形态，从而实现对亚微米级甚至更小单胞尺寸的三维结构大面积可控制备。

10、优选地，所述步骤s1中，所述刚性衬底原材料选自本征硅片、石英片、云母片、氧化硅片中的任意一种，所述刚性硅片的厚度为100μm～1cm。

11、优选地，所述步骤s1中，所述转移辅助膜为金属薄膜或介质纳米薄膜；所述金属薄膜的材质选自金、银、铜、钯、铝中的任意一种；所述介质纳米薄膜的材质为聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸甲酯。在本发明中，对于转移辅助膜的要求在于：该辅助膜可以完整地辅助转移不同材料的多层结构，且在转移完成、去除该薄膜时，不能破坏目标衬底、支撑胶以及三维结构材料。因此，本发明选择金属薄膜和介质纳米薄膜作为转移辅助膜。

12、优选地，所述步骤s2中，所述支撑胶为电子胶或光刻胶，去除支撑胶的方法采用等离子体轰击、碱溶液、丙酮中的一种或多种。在本发明中，采用等离子体轰击、碱溶液或丙酮去除支撑胶后，二维微纳多尺度破缺结构会因为支撑胶的去除导致的外部刺激触发塑性变形而形成弯曲形态的三维多尺度超材料。

13、优选地，所述步骤s2中，制备平面微纳结构图案的方法选自电子束曝光、紫外光刻、无掩膜曝光、双光束干涉光刻中的一种或多种。

14、进一步地，所述步骤s3中，所述二维微纳多尺度破缺结构的材料选自金属、合金、半导体、有机物中的一种，所述二维微纳多尺度破缺结构的制备方法为材料阴影沉积或方向性沉积。对于采用材料阴影沉积或方向性沉积制成的金属、合金、半导体、有机物为组成成分的二维微纳破缺结构，其沉积过程可以类比于几何光源的强度辐射，因此可以采用光学辐射模型对二维微纳结构预先进行破缺设计。采用电子束蒸镀或热蒸发制备二维多尺度结构时，通过调控样品与靶材坩埚之间的夹角进行方向性沉积材料，可以获得均匀的结构侧壁，材料可为金属、半导体或有机物等。

15、优选地，所述步骤s3中，制备二维微纳多尺度破缺结构的方法为材料阴影沉积或方向性沉积，所述二维微纳多尺度破缺结构的具体制备技术选自磁控溅射、电子束蒸镀、热蒸发中的一种。经过实验，本发明的发明人发现：通过磁控溅射制备的二维破缺结构侧壁材料厚度呈梯度变化，且靠近破缺处厚度越小，这与电子束蒸镀、热蒸发所制备的结构侧壁完全不同，通过磁控溅射的二维破缺结构的单胞尺寸范围可从纳米级至毫米级。

16、优选地，所述步骤s4中，所述目标衬底的材质为聚二甲基硅氧烷或环氧树脂。

17、优选地，所述步骤s5中，使用刻蚀液去除辅助转移膜。

18、本发明具备的有益效果：本申请基于外部刺激诱导结构由二维向三维形状转变的原理，利用非对称的二维破缺结构易发生塑性变形的特性，开发一种塑变诱导制备三维多尺度超材料的方法，一方面，该方法能制备单胞尺寸为亚微米级甚至更小的大面积(厘米量级)三维超材料，且其方法具有很强的可靠性与稳定性，稳定性主要来源于该方法是基于成熟的平面微纳加工技术以及设备可靠性；另一方面，该方法能够通过非对称的结构破缺设计或不同物理性质材料的运用来调控其三维结构的弯曲形态，从而实现对三维超材料的可控制备，并且基于其三维超材料研制的微纳光子器件能够在分子传感、偏振调控和热成像等领域上具有广阔的应用前景；最后，本发明的方法具有可调控、高分辨率、高效率及应用范围广等优点。

技术特征：

1.一种三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述刚性衬底原材料选自本征硅片、石英片、云母片、氧化硅片中的任意一种，所述刚性衬底的厚度为100μm～1cm。

3.如权利要求1所述的三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述转移辅助膜为金属薄膜或介质纳米薄膜；所述金属薄膜的材质选自金、银、铜、钯、铝中的任意一种；所述介质纳米薄膜的材质为聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸甲酯。

4.如权利要求1所述的三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述支撑胶为电子胶或光刻胶，去除支撑胶的方法采用等离子体轰击、碱溶液或和丙酮中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，制备平面微纳结构图案的方法选自电子束曝光、紫外光刻、无掩膜曝光、双光束干涉光刻中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述二维微纳多尺度破缺结构的材料选自金属、合金、半导体、有机物中的一种，所述二维微纳多尺度破缺结构的制备方法为材料阴影沉积或方向性沉积。

7.如权利要求6所述的三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，制备二维微纳多尺度破缺结构的方法为材料阴影沉积或方向性沉积，所述二维微纳多尺度破缺结构的具体制备技术选自磁控溅射、电子束蒸镀、热蒸发中的一种。

8.如权利要求1所述的三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述目标衬底的材质为聚二甲基硅氧烷或环氧树脂。

9.如权利要求1所述的三维多尺度超材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，使用刻蚀液去除辅助转移膜。

技术总结
本发明公开一种三维多尺度超材料的制备方法，属于超材料制备领域，本发明提供的三维多尺度超材料的制备方法包括以下步骤：S1：制备转移辅助膜；S2：制备平面微纳结构图案；S3：制备二维微纳多尺度破缺结构；S4：将转移辅助膜及其上附有的二维多尺度结构转移至目标衬底；S5：去除转移辅助膜；S6：去除支撑胶，获得三维多尺度超材料。本发明提供的制备方法稳定性和可靠性高，适于制备单胞尺寸小的大面积超材料，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：邹秋顺,沈祥,张培晴,刘自军
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13