一种制备平行等宽微结构的方法与流程

本发明涉及一种制备平行等宽微结构的方法，特别涉及一种通过控制剥离角度简单快速的制备出有序的平行等宽的裂纹、印记或者凹槽结构的方法，属于纳米技术以及薄膜材料基本物性领域。

背景技术：

纳米尺度的裂纹阵列或者凹槽阵列，在纳米技术领域有非常高的应用价值。比如微流控就依靠相对有序的裂纹阵列输运或者筛选一些微小颗粒，生物分子或者药物。另外在信息技术领域同样有重要的应用，比如将有序分布的裂纹阵列用作矩形光栅，可有效的实现对入射光束的分束作用，例如利用这类结构的衍射作用，使得不同波长的入射光沿不同方向传播，或者改变入射光束的传播路径，这一系列性质，都非常适用于电子信息领域。同时，拥有有序裂纹或者凹槽结构的薄膜表面还会影响入射光束的反射行为，有望使得薄膜表面呈现出角度依赖的结构色，这一性质同样可在生物信息领域受到极高的关注度。

必须特别强调的一点是，裂纹或者凹槽结构的应用价值与他们的有序程度相关，不管是在微流控，信息技术还是生物技术领域都属如此。但，纳米尺度的裂纹或者凹槽阵列的有序制备是存在很高的技术难度的。裂纹的取向可通过优化基底中原子或分子排列有序性而实现控制，比如无机的晶体薄膜中，往往可以通过加热的方式制备出取向一致的裂纹。但是，裂纹的间距却极难控制，即使是在晶体薄膜中。

为了实现制备高度有序的裂纹或者凹槽阵列，现有的技术往往选择在基底制备出一系列有序的微结构，再通过拉伸或者热处理使得微结构处产生裂纹，通过控制微结构的分布，可控制裂纹的分布。而现有的技术制备微结构的具体办法主要有两类，一是让薄膜生长在有微结构的母板上，二是薄膜制备好之后依赖光刻等技术在薄膜上直接制备出微结构。这导致现有办法主要存在以下几点不足之处。

1.制备过程复杂。不管是制备拥有微结构的母板还是直接光刻薄膜，都需要经历一个复杂的过程。

2.裂纹制备的可靠性不高。前一种方法高度依赖微结构母版的形貌，形貌微小的不一致都有可能导致裂纹的出现和生长的差异，进而破坏裂纹的有序性。第二种方法的工作原理通过光刻制备出有序的微结构，再通过拉伸薄膜制备裂纹，拉伸导致的裂纹在传播过程如果遇到薄膜中缺陷就会改变传播方向，同样破坏裂纹的有序性。

3.裂纹制备的成本高。复杂的过程自然导致高的成本。

4.裂纹的周期有很大的局限性。很难制备纳米量级或者1微米左右周期性分布的裂纹阵列，这是由薄膜生长母板和薄膜中光刻局限性决定的。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种制备平行等宽微结构的方法，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种制备平行等宽微结构的方法，其包括：

提供双层膜，所述双层膜包括层叠的第一薄膜层和第二薄膜层，所述第一薄膜层和第二薄膜层具有不同的机械特性；

将所述双层膜连续弯折，并使弯折角在90°以上，从而在所述第一薄膜层或第二薄膜层上产生有序的微结构。

进一步地，所述微结构包括平行等宽的裂纹、刻痕阵列、印记或凹槽。

在一些优选实施例中，所述方法具体包括：所述双层膜贴合在刚性基底上，其中第一薄膜层、第二薄膜层依次层叠在所述刚性基底上，在将所述双层膜从刚性基底上连续剥离且弯折角在90°以上时，于所述第一薄膜层上形成所述微结构。

与现有技术相比，本发明的优点至少包括：

1.本发明提供了一种简洁可控的平行等宽微结构(裂纹、刻痕阵列、印记或凹槽等)的制备方式，由于该方式的简洁性，使得平行等宽微结构的高效制备成为可能；

2.本发明可简单快速的制备出有序的裂纹或者凹槽等微结构；

3.本发明可在非晶的薄膜中制备出取向高度一致的裂纹或者凹槽等微结构；

4.本发明制备的裂纹或者凹槽等微结构的间距均匀一致，并且可人为调控间距的大小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一典型实施方案中在等离子体处理下，制备氧化硅/pdms双层膜的流程示意图。

图2a是本发明一典型实施方案中将双层膜从基底上剥离的示意图。

图2b是剥离后的双层膜表面的实际形貌图。

图2c刚性薄层为单层石墨烯时，通过上述方法制备出的平行等宽裂纹阵列，或者剪切出的石墨烯纳米带阵列示意图，其中石墨烯时通过贴合的方式粘贴在超薄的pdms薄膜上，两种薄膜共同构成了刚柔双层膜体系。

具体实施方式

本案发明人经长期研究和实践，得以探知本发明的技术方案，其主要目的是提供了一种简洁可控的平行等宽微结构(裂纹、刻痕阵列、印记或凹槽等)的制备方式，主要涉及通过控制剥离角度实现双层膜中裂纹或者凹槽可控制备的方法。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种制备平行等宽微结构的方法，其包括：

提供双层膜，所述双层膜包括层叠的第一薄膜层和第二薄膜层，所述第一薄膜层和第二薄膜层具有不同的机械特性；

将所述双层膜连续弯折，并使弯折角在90°以上，从而在所述第一薄膜层或第二薄膜层上产生有序的微结构。

在一些优选实施例中，所述微结构包括平行等宽的裂纹、刻痕阵列、印记或凹槽等。

进一步地，所述微结构的取向沿选定方向高度一致，且间距均匀一致。

进一步地，所述机械特性包括弹性模量、硬度、脆性、厚度等中的任意一种或多种的组合，但不限于此。

进一步地，所述第一薄膜层的硬度和/或弹性模量大于第二薄膜层，所述微结构形成在所述第一薄膜层上，并且这种微结构会进一步扩展到第二层薄膜中。

在一些实施例中，所述双层膜贴合在刚性基底上，其中第一薄膜层、第二薄膜层依次层叠在所述刚性基底上，在将所述双层膜从刚性基底上连续剥离且弯折角在90°以上时，于所述第一薄膜层上形成所述微结构。

在一些优选实施例中，所述双层膜(亦可称为“刚柔多层膜”)包括至少一刚性层、至少一柔性膜，所述刚性层和柔性膜的机械特性不一致，比如弹性模量、硬度、脆性、柔软程度、厚度等部分或全部不一致。

在一些优选实施例中，本发明涉及的刚柔多层膜一般由一个刚性层和一个柔性膜构成，但是，机械性质部分或者全部不一致的两种薄膜构成的双层膜也属于本发明涉及的多层膜体系。例如，弹性模量或者硬度，脆性不一致的两种薄膜构成的双层膜体系。

进一步地，本发明提供的方法在多层面体系中也会奏效。所以刚柔三层膜或者其他刚柔多层膜的体系，在以大于等于90°弯折角的方式剥离而制备出的平行等宽裂纹、刻痕阵列、凹槽或者印记，同样属于本发明的保护范畴。

在一些优选实施例中，所述方法包括：

采用氧气等离子对柔性膜表面进行处理，从而形成所述双层膜；

或者，在柔性膜上蒸镀刚性物质，从而形成所述双层膜；

或者，将两种弹性模量不同的物质进行旋涂，从而形成所述双层膜；

或者，在柔性膜上贴合刚性层，从而形成所述双层膜；

或者，采用紫外光或臭氧对柔性膜表面进行处理，从而形成所述双层膜；

或者，采用电子束或重离子束辐照柔性膜表面，从而形成所述双层膜；

或者，采用强酸或强碱对柔性膜表面进行处理，从而形成所述双层膜。

例如，所述双层膜的制备方法优选为用氧气等离子直接处理pdms薄膜的方法，但不仅于此，例如，所述双层膜的制备方法还包括：通过蒸镀法将无机物或者成膜后呈刚性的有机物沉积在柔性膜上构成双层膜；通过旋涂法，将一种成膜后与柔性膜弹性模量不一致的有机膜旋涂在柔性膜之上；采用贴合法，将刚性的薄膜贴合到柔性膜上；采用uv/ozone(紫外光/臭氧)、电子束、重离子束、强酸强碱直接处理柔性薄膜制备双层膜。

进一步地，所述柔性膜可以是pdms薄膜，也可以是其他任何柔性的薄膜，如所有可被拉伸、拉长的薄膜如橡胶薄膜。

进一步地，所述双层膜的中刚性薄层的厚度在单原子层厚到厘米量级之间，既刚性薄层可以是所有的二维单原子层，也可以是多层二维材料，甚至是成纳米、微米、毫米以及厘米厚度的薄层。所谓刚性薄层，并不仅仅是不可以弯折的材料，因为任何一种刚性材料在足够薄的时候，都是可以弯折的，所以本发明中所述的刚性薄层更准确的说是不可以被拉伸、拉长的材料。而柔性基地是允许被拉伸、拉长的材料。

在一些更为具体的实施方案之中，所述双层膜的制备方法具体包括：

提供刚性基底；

采用旋涂法在所述刚性基底表面制备柔性膜，所述柔性膜的材质包括pdms(poly(dimethylsiloxane))聚二甲基硅氧烷；以及，

采用氧气等离子对柔性膜表面进行直接处理，从而在所述柔性膜表面制得均匀厚度的氧化硅层。

进一步地，要制备出拥有均匀厚度的氧化硅层的双层膜，还需要满足以下两个条件。一是氧气等离子体的处理必须均匀。为了实现这一点，本发明选用拥有如下特征等离子处理箱的设备：等离子源平面与样品承载台面平行。这样的装置可以保证样品表面的任何位置与等离子源之间都有相同的距离，保证了等离子体对样品表面处理的均匀性。进一步地，所述氧气等离子体处理的条件为：等离子源平面与柔性膜表面平行。第二个方面是，所述pdms柔性薄膜的性质要做到各向同性。

进一步地，所述制备方法包括：

将聚二甲基硅氧烷和交联剂均匀混合，并搅拌10min以上，获得前体溶液；以及，

采用旋涂法将所述前体溶液施加于所述基底表面，之后固化，制得所述柔性膜。

在本发明的剥离过程中，剥离时的力度与速度同样与微结构的出现有关。所以在整个剥离过程中，尽量让pdms薄膜受力均匀，并保持一致的剥离速度。同时，剥离的角度需大于等于90°。

作为优选实施方案之一，所述制备方法具体包括：弯折角在90°以上时，以均匀的剥离速度(0.3cm/s-1cm/s之间任意特定速度)、均匀的力度(施加的力大于薄膜与基底之间的贴合力即可，这个贴合力指的薄膜与基底之间分子间作用力)，将所述双层膜从所述柔性基底上均匀剥离，从而在所述双层膜的第一薄膜层上产生平行等宽的微结构(如裂纹阵列)。

综上所述，本发明提供了一种简洁可控的取向高度一致的平行等宽微结构(裂纹、刻痕阵列、印记或凹槽等)的制备方式，由于该方式的简洁性，使得平行等宽微结构的高效制备成为可能；本发明制备的裂纹或者凹槽等微结构的间距均匀一致，并且可人为调控间距的大小。

下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。

实施例1

1.刚柔双层膜的制备

这类刚柔双层膜的典型特征是两种膜的机械特性不一致，比如弹性模量、柔软程度、硬度、厚度等不一致。一种典型的刚柔双层膜是通过氧气等离子直接处理pdms薄膜制备成的氧化硅/pdms刚柔双层膜。如图1所示，用o2(氧气)等离子处理pmds薄膜制备弹性膜量不一致的刚柔双层膜。氧气等离子可以使得pdms表面氧化出现氧化硅层(siox)，该层作为刚性层，而剩余未被氧化的pdms层作为柔性膜，刚柔两层膜共同构成氧化硅/pdms刚柔双层膜。另一种典型的刚柔双层膜的制备方法是将一层刚性薄膜直接贴合在柔性薄膜上。

2.微结构的可控制备

之后通过简单的将制备好的刚柔双层膜以90°弯折的方式从基底上剥离，即可在刚柔双层膜的剥离区域刚性薄层一侧(硬度更大或者弹性模量更大)制备出平行等宽的裂纹、凹槽或者印记。剥离方式示意图如图2a所示，图2b是剥离后的氧化硅/pdms刚柔双层膜表面的实际形貌图。图2c是石墨烯/pdms薄膜双层膜在剥离后石墨烯表面形成的纳米带阵列，其是通过上述方法制备出的平行等宽裂纹阵列，或者说剪切出的石墨烯纳米带阵列。其中石墨烯时通过贴合的方式粘贴在超薄的pdms薄膜上，两种薄膜共同构成了刚柔双层膜体系。本发明制备的裂纹或者凹槽等取向高度一致，间距均匀一致，并且可人为调控间距的大小。

此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。

应当指出，以上所述的仅是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。