一种牺牲模板制备高深宽比聚合物纳米柱阵列的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳结构加工，具体涉及一种牺牲模板制备高深宽比聚合物纳米柱阵列的方法。
【背景技术】
[0002]目前，纳米柱阵列在磁记录、光电组件、传感器、多相催化等许多领域具有广泛应用。其中，小尺寸、高深宽比的纳米柱阵列因其特异的物理、化学特性，在构建纳米电子和光学器件方面拥有巨大的潜力，引起了材料科学家们的极大兴趣。
[0003]传统的纳米结构制备主要有两种途径，一种是以“紫外、深紫外、极紫外、X射线”为代表的传统光刻技术，这些光刻技术主要是通过不断缩短曝光波长来实现高分辨率的纳米光刻，但光波长的缩短引入了一系列的其他问题，不但给技术上带来了极大的困难，同时研发成本也将急剧飙升；另外一种纳米结构加工方法是通过电子束和聚焦离子束等直写设备进行加工，扫描时间长，加工效率很低，成本昂贵，在一般实验室不容易开展相关工作，因此，这两种技术很难满足科研和生产对纳米结构的大量需求。
[0004]纳米压印技术的出现为纳米结构的简单制备提供了一种新方法，可制作出特征尺寸10nm、深宽比3:1的纳米柱阵列。更高深宽比的结构由于受脱模限制，结构塌陷、残缺，难以实现。Craig J.Hawker等人从压印材料入手，研宄了一种高杨氏模量聚合物材料，制备出了最大深宽比为5:1的聚合物纳米柱阵列。Stephen Y Chou等人利用纳米压印在压印胶上复制出较浅的结构(深宽比1:1)，通过刻蚀将压印胶上的结构传递到基底材料上，通过调节压印胶与基底的刻蚀比，制作出了深宽比为50:1的纳米柱阵列。但是制作过程难度提高，成本增加。因此，需要寻找简单制备高深宽比纳米柱阵列的新方法。
[0005]基于以上发展现状，本发明提出一种牺牲模板制备高深宽比聚合物纳米柱阵列的方法。该方法以易腐蚀、制作简单、加工成本低廉的纳米孔阵列结构为模板，通过复制工艺，以牺牲模板的方式脱膜，实现了小尺寸(10nm)、高深宽比(100:1)聚合物纳米柱阵列的简单制作。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种牺牲模板制备高深宽比聚合物纳米柱阵列的方法，通过简单材料涂覆、固化和化学腐蚀等过程，实现大面积聚合物纳米柱的制备。与现有纳米结构制备工艺相比，具有分辨率高、深度比可控、工艺简单、成本低、大面积制备等优点。
[0007]本发明采用的技术方案为:一种牺牲模板制备高深宽比聚合物纳米柱阵列的方法，包括如下步骤:
[0008]步骤(I)、按照目标纳米柱的要求，选择满足尺寸条件的纳米孔阵列结构作为模板；
[0009]步骤(2)、利用涂覆工艺将聚合物材料涂覆在步骤(I)中的模板表面，使聚合物流进孔内；
[0010]步骤(3)、将步骤(2)中的双层结构放置在适当的环境下进行固化成型；
[0011]步骤(4)、选择适当的腐蚀性溶液将步骤(I)中的纳米孔阵列结构模板腐蚀掉，残留下的部分用超净水清洗后，获得目标高深宽比聚合物材料纳米柱阵列。
[0012]进一步的，所述步骤(I)中纳米孔阵列结构具备易腐蚀、制作简单、加工成本低廉等特点，如金属、金属氧化物、合金纳米孔模板及纳米孔硅模板。
[0013]进一步的，所述步骤(I)中纳米孔的尺寸、形状、排布方式和深度在制作过程中可随意调控，直径为10纳米至500纳米；深度为I微米至50微米；形状有圆形、矩形、三角形、多边形；排布方式有周期型、随机型、部分随机型。
[0014]进一步的，所述步骤(2)中聚合物材料性能可调控，具备低粘度和高杨氏模量的特点。低粘度可以克服表面张力控制材料流进孔内的程度，高杨氏模量能够有效的提高纳米柱的分辨率和深宽比。如紫外光固化巯基-烯材料、环氧树脂、丙烯酸酯材料以及热固化聚甲基丙烯酸甲酯材料，粘度低于5厘泊，杨氏模量大于5000兆帕。
[0015]进一步的，所述步骤(2)的聚合物流进孔内的程度可以控制，同一块模板可以制备出不同深度的纳米柱结构，可以与模板完全互补或小于模板深度。
[0016]进一步的，所述步骤(3)中适当的固化环境是在一定温度、湿度的静止无晃动的环境下，通过紫外光照射或高温高压条件进行固化。
[0017]进一步的，所述步骤的(4)中的腐蚀性溶液可以是强酸或强碱性溶液，腐蚀性溶液的选择原则是对多孔氧化铝模板具有较强的腐蚀性而对聚合物材料无影响，如氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸溶液。。
[0018]进一步的，所述步骤(4)中的聚合物纳米柱的深宽比10:1至100:1，最高可达100:1,尺寸、形状和排布方式与模板相同，可实现高分辨率、高深宽比任意形状和排列的纳米柱阵列。
[0019]本发明的优点在于:
[0020](I)、本发明通过调节聚合物材料的粘度和杨氏模量，利用模板牺牲方法解决了脱模难题，可实现小尺寸和高深宽比纳米柱阵列的制备，工艺过程重复性好、可靠性高、制作效率高。
[0021](2)、本发明通过控制材料流进纳米孔的程度，实现同一块模板制作不同结构深度的纳米柱阵列，具有较强的工艺灵活性。
[0022]综上所述，本发明解决了现有制备聚合物纳米结构方法的成本高，效率低的问题，通过调节模板结构和材料性能实现了高分辨率、高深宽比纳米柱阵列制作。聚合物纳米柱阵列具有良好的生物相容性，在生物传感和生化分析等领域具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:
[0024]图1是基于多孔阳极氧化铝模板的巯基-烯材料纳米柱的制备流程图；
[0025]图2是基于多孔阳极氧化铝模板的巯基-烯材料纳米柱的制备流程方框图；
[0026]图3是多孔阳极氧化铝模板的电子扫描显微镜照片；
[0027]图4是基于多孔阳极氧化铝模板的巯基-烯材料纳米柱结构的电子扫描显微镜照片;
[0028]图5是不同形状和排布方式的纳米柱阵列示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图及【具体实施方