一种基于可纺性材料的微纳结构直写方法与流程

本发明涉及微纳制造技术领域，具体涉及一种基于可纺性材料的微纳结构直写方法。

背景技术：

具有特定功能的微纳结构或图案已经逐渐成为微纳器件或微机电系统的重要组成部分之一。目前，转印技术和直写技术是制作微纳结构或图案的两种主要方法。其中，转印技术工艺较复杂，需要提前制造印章，从而难以高效、柔性地制造图案需要经常发生改变的微纳结构。因此，研究人员发明了工艺简单的、定位精准、更柔性的直写技术。目前，直写技术主要包括微喷技术、纳米蘸笔技术（dip-pennanolithography，dpn）和纳米钢笔直写技术（foundtainpennanolithography,fpn）。

微喷技术是指通过压电、热气泡、电场等动力的驱动，将液态功能材料或含功能材料的溶液从喷孔喷射到基底表面形成微纳结构。目前，常用的压电和热气泡式微喷直写的液滴直径一般为10~20μm左右，难以实现直写高精度的微纳结构或图案。而电喷方法存在制作微米甚至亚微米尺寸的微喷管的难度大、易堵塞、驱动压力大等问题。

纳米蘸笔技术（dip-pennanolithography，dpn）是一种较为典型的微纳直写方法，其原理利用原子力显微镜（afm）探针蘸取功能材料，当探针的尖端与基底表面接触时在两者之间形成液桥，之后功能材料由于毛细力作用从原子力针尖转移到基底上，通过原子力显微镜精确控制针尖在基底的定位和二维的移动，从而形成纳米级图案。但这种dpn探针直写的方法每次蘸取的功能材料的量非常有限，所以直写效率较低。

纳米钢笔直写技术（foundtainpennanolithography,fpn）也是基于原子力显微镜进行直写的一种技术，但所用的直写探针必须具有微通道结构，其利用探针与基底表面间的接触，通过针尖与基底表面间的毛细力作用或施加电场完成直写，从而在表面形成微纳图案。此外，探针一般还会带有储墨器，能持续不断地提供用于书写的功能材料，对比dpn技术，该技术直写的持续性更好，但是带有微纳通道的探针制作困难，成本高，且使用过程易堵塞。此外，dpn和fpn技术都依赖于昂贵的原子力显微镜，并且通过原子力显微镜控制针尖移动的行程也非常小，因此利用这种方法进行大面积的微纳结构制作的效率较低，同时也存在afm探针使用过程中易损坏、针尖易被污染、使用寿命较短等问题。

从上面的国内外研究现状可知，微纳结构制作方面仍迫切需要一种更为简单、方便、不堵塞、跨越微米到纳米尺度、低成本的直写方法，从而更加方便、低成本地应用于微纳器件，进而为其在生物医疗、半导体芯片等工业领域的应用提供基础。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明目的在于提供一种基于可纺性材料的微纳结构直写方法，其所采用的直写方式为利用微纳丝条在加热基底上熔融并粘附在基底，而微纳丝条则利用可纺性材料的通过纺丝技术制作而成。

针对以上问题，提供了如下技术方案：一种基于可纺性材料的微纳结构直写方法，包括利用可纺性材料通过纺丝技术制作的微纳固态丝条；第一步，将基底放置在加热装置上，并调控加热装置直至基底表面的温度达到或接近微纳固态丝条的熔点；第二步，将微纳固态丝条在移动装置的控制下运动到基底表面，并且使微纳固态丝条的尖端与基底表面接触，使微纳固态丝条的尖端在加热状态下融化并粘附在基底表面；第三步，微纳固态丝条在移动装置的控制下略微上抬拉丝形成微纳固态丝条熔体并根据直写路径移动微纳固态丝条，在移动的同时根据微纳固态丝条损耗对微纳固态丝条进行进给，直写完成后移动装置带动微纳固态丝条离开基底表面，直至粘附在基底的微纳固态丝条熔体与未熔融的微纳固态丝条分离；第四步，关闭加热装置，使基底温度冷却至室温，待微纳固态丝条熔体固化，从而完成直写。

本发明进一步设置为，所述加热装置的加热温度可实现常温到300℃的调控。

上述结构中，加热装置为电热板，可采用商用电阻式加热台来满足常温到300ºc的调控，并保持温度恒定。

本发明进一步设置为，所述移动装置带有夹持头，能操作微纳固态丝条并实现x/y/z三个自由度的移动。

上述结构中，移动装置可以采用kleindiek公司生产的型号为mm3a的微纳机械手，以实现三个自由度x/y/z的移动，并能在三维空间中实现纳米级精度的移动，同时搭配夹持头等夹持头就能方便的操作微纳固态丝条。

本发明进一步设置为，所述微纳固态丝条的尖端与基底表面的接触面积为微纳米量级。

本发明进一步设置为，所述微纳固态丝条的尖端在融化后受重力、表面张力和∕或粘附力作用粘附在基底表面。

本发明进一步设置为，所述微纳固态丝条熔体与微纳固态丝条分离的分离方式包括但不限于毛细破坏断裂和内聚能破坏断裂。

本发明进一步设置为，所述微纳固态丝条熔体熔化直写后经冷却和固化形成微纳结构或图案。

上述结构中，由于可纺性材料制成的微纳固态丝条在常温下是固态，因此关闭加热装置并冷却至室温后，熔融状态的可纺性材料会固化，从而形成微纳结构或图案。

本发明进一步设置为，还包括微纳观察装置，所述微纳观察装置可选用但不限于光学显微镜、体式显微镜或扫描电子显微镜。

上述结构中，可方便观察直写过程。

本发明进一步设置为，所述基底的材料主要为微纳加工基底材料，包括但不限于硅、二氧化硅、石墨、pdms（聚二甲基硅氧烷）、pi（聚酰亚胺薄膜）和金属。

本发明进一步设置为，所述微纳固态丝条通过熔融纺丝、静电纺丝等纺丝技术制作。

本发明的有益效果：利用可纺性材料的并通过纺丝技术制作微纳固态丝条，进而利用微纳固态丝条在加热基底上实现微纳结构的可控直写。该方法能够实现简单、方便、不堵塞、跨越微米到纳米尺度、低成本的微纳结构的直写，为其在生物医疗、半导体芯片等工业领域的应用提供基础，可应用于小型电器元器件的粘合，细小部件的成型。

附图说明

图1为本发明的整机示意图。

图2为本发明的直写过程示意图。

图3为本发明的直写效果示意图。

图4为本发明的多个微纳固态丝条并行直写示意图。

图中标号含义：10-微纳固态丝条；101-微纳固态丝条熔体；11-基底；12-加热装置；20-移动装置；21-夹持头；30-微纳观察装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参考图1至图4，如图1至图4所示的一种基于可纺性材料的微纳结构直写方法，包括利用可纺性材料通过纺丝技术制作的微纳固态丝条10；第一步，将基底11放置在加热装置12上，并调控加热装置12直至基底11表面的温度达到或接近微纳固态丝条10的熔点；第二步，将微纳固态丝条10在移动装置20的控制下运动到基底11表面，并且使微纳固态丝条10的尖端与基底11表面接触，使微纳固态丝条10的尖端在加热状态下融化并粘附在基底11表面；第三步，微纳固态丝条10在移动装置20的控制下略微上抬拉丝形成微纳固态丝条熔体101并根据直写路径移动微纳固态丝条10，在移动的同时根据微纳固态丝条10损耗对微纳固态丝条10进行进给，直写完成后移动装置20带动微纳固态丝条10离开基底11表面，直至粘附在基底11的微纳固态丝条熔体101与未熔融的微纳固态丝条10分离；第四步，关闭加热装置12，使基底11温度冷却至室温，待微纳固态丝条熔体101固化，从而完成直写。

本实施例中，所述加热装置12的加热温度可实现常温到300℃的调控。

上述结构中，加热装置12为电热板，可采用商用电阻式加热台来满足常温到300ºc的调控，并保持温度恒定。

本实施例中，所述移动装置20带有夹持头21，能操作微纳固态丝条10并实现x/y/z三个自由度的移动。

上述结构中，移动装置20可以采用kleindiek公司生产的型号为mm3a的微纳机械手，以实现三个自由度x/y/z的移动，并能在三维空间中实现纳米级精度的移动，同时搭配夹持头21等夹持头就能方便的操作微纳固态丝条10。

本实施例中，所述微纳固态丝条10的尖端与基底11表面的接触面积为微纳米量级。

本实施例中，所述微纳固态丝条10的尖端在融化后受重力、表面张力和∕或粘附力作用粘附在基底11表面。

本实施例中，所述微纳固态丝条熔体101与微纳固态丝条10分离的分离方式包括但不限于毛细破坏断裂和内聚能破坏断裂。

本实施例中，所述微纳固态丝条熔体101熔化直写后经冷却和固化形成微纳结构或图案。

上述结构中，由于可纺性材料制成的微纳固态丝条10在常温下是固态，因此关闭加热装置并冷却至室温后，熔融状态的可纺性材料会固化，从而形成微纳结构或图案。

本实施例中，还包括微纳观察装置30，所述微纳观察装置30可选用但不限于光学显微镜、体式显微镜或扫描电子显微镜。

上述结构中，可方便观察直写过程。

本实施例中，所述基底11的材料主要为微纳加工基底材料，包括但不限于硅、二氧化硅、石墨、pdms（聚二甲基硅氧烷）、pi（聚酰亚胺薄膜）和金属。

本实施例中，所述微纳固态丝条10通过熔融纺丝、静电纺丝等纺丝技术制作。

本发明的有益效果：利用可纺性材料的并通过纺丝技术制作微纳固态丝条10，进而利用微纳固态丝条10在加热基底11上实现微纳结构的可控直写。该方法能够实现简单、方便、不堵塞、跨越微米到纳米尺度、低成本的微纳结构的直写，为其在生物医疗、半导体芯片等工业领域的应用提供基础，可应用于小型电器元器件的粘合，细小部件的成型。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，上述假设的这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。