专利名称：一种大面积纳米缝电极并行制造方法
技术领域：
本发明涉及纳米缝电极制造技术领域，具体涉及一种大面积纳米缝电极并行制造方法。
背景技术：
纳米缝由于在量子尺度特殊的电子效应，在表面传导电子发射显示器SED，分子开关，分子晶体管等分子器件发面具有重要的应用。而纳米缝的制备工艺正是约束SED以及分子器件大规模应用及快速发展的重要因素。目前，常规的制备纳米缝的主要方法有扫描隧道显微镜法、微加工法、电迁移法以及电化学法等。其中的扫描隧道显微镜法、电迁移法以及电化学法需要复杂的控制系统来监控压力或是电导率的变化以控制纳米缝的形成；微加工法涉及到电子束光刻以及离子束刻蚀，加工设备精密昂贵，操作复杂。总体而言，常规纳米缝制备方法需要比较昂贵的工作设备或是复杂的工艺流程，通常属于一种串行的纳米缝制备方法，极大地限制了纳米缝的制备效率。
发明内容
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大面积纳米缝电极并行制造方法，具有纳米缝制备效率高的优点。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种大面积纳米缝电极并行制造方法，包括以下步骤第一步，制造有机聚合物材料的阵列化结构，选择刚性基材作为衬底，其表面做清洁处理，然后在其表面制备一层有机聚合物材料的阵列化结构，有机聚合物材料在受热情况下具有体积膨胀特性，有机聚合物材料采用环氧树脂、亚克立材料(PMMA)、聚氨酯塑料材料(PU)、硅胶材料(PDMS)或光阻材料，有机聚合物材料阵列化结构的制备采用光刻工艺或点阵喷胶工艺实现；第二步，制造电极材料图形结构，在刚性基材和有机聚合物薄膜表面制备一层电极材料图形结构，形成“刚性基材-有机聚合物材料-电极材料”的三明治结构，电极材料图形结构上下边包含豁口，在应变作用下形成应力集中，从而控制裂缝在其中间位置生长， 电极材料图形结构的制备采用掩膜蒸镀工艺、Lift-off工艺或湿法腐蚀工艺实现；第三步，制造纳米缝结构图形，对第二步完成的电极材料图形结构的刚性基材均勻加热，温度控制在60° 110°，刚性基材的强度大，热向聚合物材料传递，聚合物材料受热开始膨胀，封闭空间内聚合物材料的膨胀给封闭边界带来压应力，压应力只能通过电极材料薄膜一侧释放，随着加热温度不断的升高，热量无法及时扩散出去，当电极材料薄膜所受的应力超过其破坏极限时，电极材料薄膜将在应力集中的豁口位置形成纳米级缝隙结构，控制有机聚合物材料以及电极材料的厚度、加热温度和时间能够改变纳米缝宽度的大 所述的有机聚合物材料厚度控制在2um 4um，优选3um ；电极材料厚度控制在200nm 400nm，优选250nm ；加热温度控制在60° 110°，优选100° ；加热时间控制在 5min 20min,优选 lOmin。有机聚合物材料厚度为3um，电极材料厚度为250nm，加热温度为100°，加热时间为lOmin，这样的有益效果是产生的纳米缝宽度在150nm左右。
本发明采用通过有机聚合物薄膜受热膨胀，导致覆盖在其表面的电极材料薄膜层发生断裂，制造出纳米缝电极的方法，解决了传统金属薄膜断裂所需的应变来源问题，裂缝位置精确可控；同时，面板受热均勻，保证了阵列化纳米裂缝电极大面积并行制造的可行性和均勻性。
图1为本发明衬底的俯视图。图2-1为喷印涂布有机聚合物材料的俯视图；图2-2为喷印涂布有机聚合物材料的主视图。图3-1为在衬底和有机聚合物材料表面溅射一层金属薄膜材料的俯视图；图3-2 为在衬底和有机聚合物材料表面溅射一层金属薄膜材料的主视图。图4-1为在金属薄膜表面涂布一层光刻胶的俯视图；图4-2为在金属薄膜表面涂布一层光刻胶的主视图。图5为光刻掩膜板图形结构示意图。图6-1为光刻显影后的俯视图；图6-2为光刻显影后的主视图。图7-1为湿法腐蚀金属层后的俯视图；图7-2为湿法腐蚀金属层后的主视图。图8-1为使用有机溶剂洗涤去除剩余金属薄膜表面覆盖光刻胶的俯视图；图8-2 为使用有机溶剂洗涤去除剩余金属薄膜表面覆盖光刻胶的主视图。图9-1为制取的纳米缝图形结构源的一个结构区图形主视图；图9-2为对衬底无图形区域一侧均勻加热的主视图；图9-3为金属薄膜断裂产生纳米缝的主视示意图。图10为最终得到的大面积纳米缝电极图形俯视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细描述。一种大面积纳米缝电极并行制造方法，包括以下步骤第一步，制造有机聚合物材料的阵列化结构，选择刚性基材1作为衬底，其表面做清洁处理，然后在其表面制备一层有机聚合物材料2的阵列化结构，有机聚合物材料2在受热情况下具有体积膨胀特性，有机聚合物材料2采用环氧树脂、亚克立材料(PMMA)、聚氨酯塑料材料(PU)、硅胶材料(PDMS)或光阻材料，有机聚合物2材料阵列化结构的制备采用光刻工艺或点阵喷胶工艺实现，以有机聚合物材料2阵列化结构的制备采用点阵喷胶实现为例，参照图1、图2-1 和图2-2，在刚性基材1表面采用喷印形式涂布有机聚合物材料2，有机聚合物材料2在加热条件下具有膨胀特性；第二步，制造电极材料图形结构，在刚性基材1和有机聚合物薄膜表面制备一层电极材料3图形结构，形成“刚性基材1-有机聚合物材料2-电极材料3”的三明治结构，电极材料3图形结构上下边包含豁口，在应变作用下形成应力集中，从而控制裂缝在其中间位置生长，电极材料图形结构的制备采用掩膜蒸镀工艺、Lift-off工艺或湿法腐蚀工艺实现；以电极材 料3图形结构的制备采用湿法腐蚀实现为例，参照图3和图8进一步说明电子发射源图形结构的制造过程(a)参照图3-1和图3_2，选择钼Pt作为电极材料3，中间使用铬Cr作为连接层， 利用溅射的方面在衬底和有机聚合物材料2表面制备一层金属薄膜；(b)参照图4-1和图4-2，在电极材料3表面涂布一层光刻胶4 ；(c)参照图5，利用掩膜板5对光刻胶4曝光，显影，得到结果参照图6-1和图6_2 ；(b)参照图7-1和图7-2，利用显影后的光刻胶4作为掩蔽层，采用硝酸铈铵、乙酸、去离子水配置的溶液对电极材料3进行湿法腐蚀，腐蚀完成后，利用丙酮除去残留的光刻胶4，以保证形成的纳米缝结构在预期的位置；参照图8-1和图8-2，制备完成的“刚性基材1-有机聚合物材料2_电极材料3” 的三明治结构；第三步，制造纳米缝结构图形，参照图9-1、图9-2和图9-3，对第二步完成的电极材料图形结构的刚性基材1均勻加热，温度控制在60° 100°，刚性基材1的强度大，热向聚合物材料2传递，聚合物材料2受热开始膨胀，封闭空间内聚合物材料2的膨胀给封闭边界带来压应力，压应力只能通过电极材料3薄膜一侧释放，随着加热温度不断的升高，热量无法及时扩散出去，当电极材料3薄膜所受的应力超过其破坏极限时，电极材料3薄膜将在应力集中的豁口位置形成纳米级缝隙结构，控制材料厚度、加热温度和时间可以改变纳米缝宽度的大小，最终得到大面积纳米缝电极，如图10所示。所述的有机聚合物材料厚度控制在2um 4um，优选3um ；电极材料厚度控制在 200nm 400nm，优选250nm ；加热温度控制在60° 110°，优选100° ；加热时间控制在 5min 20min,优选 lOmin。本发明充分利用了有机聚合物薄膜受热膨胀，解决了传统金属薄膜断裂所需的应变来源问题。聚合物受热膨胀导致覆盖在其表面的金属薄膜层发生断裂，以此来制造纳米缝电极。操作简便易行，无需额外的探测系统，可以实现大规模制备。裂缝位置精确可控； 同时，面板受热均勻，保证了阵列化纳米裂缝电极大面积并行制造的可行性和均勻性。
权利要求
1.一种大面积纳米缝电极并行制造方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，制造有机聚合物材料的阵列化结构，选择刚性基材作为衬底，其表面做清洁处理，然后在其表面制备一层有机聚合物材料的阵列化结构，有机聚合物材料在受热情况下具有体积膨胀特性，有机聚合物材料采用环氧树脂、亚克立材料(PMMA)、聚氨酯塑料材料 (PU)、硅胶材料(PDMS)或光阻材料，有机聚合物材料阵列化结构的制备采用光刻工艺或点阵喷胶工艺实现；第二步，制造电极材料图形结构，在刚性基材和有机聚合物薄膜表面制备一层电极材料图形结构，形成“刚性基材-有机聚合物材料-电极材料”的三明治结构，电极材料图形结构上下边包含豁口，在应变作用下形成应力集中，从而控制裂缝在其中间位置生长，电极材料图形结构的制备采用掩膜蒸镀工艺、Lift-off工艺或湿法腐蚀工艺实现；第三步，制造纳米缝结构图形，对第二步完成的电极材料图形结构的刚性基材均勻加热，温度控制在60° 100°，刚性基材的强度大，热向聚合物材料传递，聚合物材料受热开始膨胀，封闭空间内聚合物材料的膨胀给封闭边界带来压应力，压应力只能通过电极材料薄膜一侧释放，随着加热温度不断的升高，热量无法及时扩散出去，当电极材料薄膜所受的应力超过其破坏极限时，电极材料薄膜将在应力集中的豁口位置形成纳米级缝隙结构， 控制材料厚度、加热温度和时间能够改变纳米缝宽度的大小。
2.根据权利要求1所述的一种大面积纳米缝电极并行制造方法，其特征在于所述的有机聚合物材料厚度控制在2um 4um ；电极材料厚度控制在200nm 400nm ；加热温度控制在60° 110° ；加热时间控制在5min 20min。
3.根据权利要求1或2所述的一种大面积纳米缝电极并行制造方法，其特征在于所述的有机聚合物材料厚度控制在3um ；电极材料厚度控制在250nm ；加热温度控制在100° ； 加热时间控制在lOmin。
全文摘要
一种大面积纳米缝电极并行制造方法，在刚性基材和具有应力集中豁口的电极材料之间引入一层有机聚合物材料，形成“刚性基材-有机聚合物材料-电极材料”的三明治结构，对刚性基材均匀加热，有机聚合物材料受热体积膨胀，从而使其表面的电极材料内部产生拉应力，当拉应力达到电极材料的断裂极限时，电极材料断裂，形成纳米级裂缝结构，本发明解决了传统金属薄膜断裂所需的应变来源问题，裂缝位置精确可控，控制加热温度和时间可以改变纳米缝宽度大小；同时，面板受热均匀，保证了阵列化纳米裂缝电极大面积并行制造的可行性和均匀性。
文档编号B81C1/00GK102328903SQ20111029349
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者丁玉成, 李欣, 缪林林, 邵金友, 黎相孟 申请人:西安交通大学