一种定向无源自驱动薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及微纳制造领域，尤其涉及一种定向无源自驱动薄膜及其制备方法。

背景技术：

自然界中存在许多具有各向异性表面结构的生物，其表面表现出典型的对液体操控的方向性的差异，比如沙漠甲虫，蜘蛛丝，仙人掌和猪笼草,由于其表面上特殊的微纳结构进而展现了优良的定向输运能力。

近年来，表面微结构的构筑引起了广泛的研究兴趣。主要是受到上述生物微纳结构的启发，目前国内外已有的仿生集水技术，例如，目前基于沙漠甲壳虫，仙人掌和猪笼草的集水原理设计微纳米结构，已经实现了前所未有的液滴生长和运输；有研究成功制造了具有可控纺锤体几何形状的人造蜘蛛丝，并显示出优异的集水能力；已经实现在人造猪笼草表面把水从内侧定向输送到外侧。然而，从微纳米加工的角度讲，在设计和制造仿生结构则相对比较复杂，而且加工灵活性比较低，开发能够超越大自然并能灵活精准的实现定向无源自驱动、长距离输运的人工结构是目前面临的主要问题。

因此，现有技术还有待发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种定向无源自驱动薄膜及其制备方法，旨在解决现有在制备定向无源自驱动的人工结构时的工艺方法复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，包括步骤：

在基底上沉积金属薄膜；

采用激光刻写技术在金属薄膜上刻写定向无源自驱动图案；

对刻写有定向无源自驱动图案的金属薄膜进行湿法刻蚀，得到定向无源自驱动薄膜；

所述定向无源自驱动图案包括多个首尾连接的定向无源自驱动图案单元；

每个所述定向无源自驱动图案单元包括：宽度逐渐增大的驱动区、与所述驱动区连接且宽度逐渐减小的收缩区，其中所述驱动区的长度比所述收缩区的长度长。

所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，所述基底为玻璃片、石英片、硅片中的一种。

所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，所述金属薄膜为钛薄膜。

所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，所述钛薄膜的厚度为20-200nm。

所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，所述在基底上沉积金属薄膜所采用的沉积工艺为离子溅射沉积工艺、电子束蒸发沉积工艺、热蒸镀沉积工艺、激光脉冲沉积工艺、磁控溅射沉积工艺中的一种。

所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，所述激光刻写技术为激光直写技术；

所述激光直写技术的刻写参数为：激光功率1-10mw；激光脉宽0.1-10ms。

所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，所述湿法刻蚀的刻蚀液为氟化氢溶液。

所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，所述湿法刻蚀的时间为10-60min。

所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，所述定向无源自驱动图案单元还包括：位于所述驱动区和所述收缩区一侧的条形稳健区。

一种定向无源自驱动薄膜，其中，采用如上所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法制备得到。

有益效果：本发明通过激光刻写技术使受体金属薄膜表面定向无源自驱动图案性质突变，得到各向异性的抗刻蚀的定向无源自驱动图案，从而实现选择性刻蚀；然后再通过湿法刻蚀，制备得到具有悬切边缘的定向无源自驱动薄膜，整个制备过程不需要掩模，制备工艺十分简单、方便。

附图说明

图1为本发明所述定向无源自驱动薄膜的制备方法中的定向无源自驱动图案。

图2为本发明所述定向无源自驱动薄膜的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种定向无源自驱动薄膜及其制备方法。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供一种定向无源自驱动薄膜的制备方法，其中，包括步骤：

在基底上沉积金属薄膜；

采用激光刻写技术在金属薄膜上刻写定向无源自驱动图案；

对刻写有定向无源自驱动图案的金属薄膜进行湿法刻蚀，得到定向无源自驱动薄膜；

所述定向无源自驱动图案包括多个首尾连接的定向无源自驱动图案单元；

每个所述定向无源自驱动图案单元包括：宽度逐渐增大的驱动区1、与所述驱动区1连接且宽度逐渐减小的收缩区2，其中所述驱动区1的长度比所述收缩区2的长度长。

激光直写技术具有分辨率高，成本低，灵活性高，但是目前激光直写一般用于二维加工。而三维悬切结构在液滴运输上的表现更为出色，有利于实现液滴的长程运输。基于此，本发明通过采用激光直写技术和湿法刻蚀技术结合，开发一种新型的三维立体结构，实现液滴的长程运输。

本发明基于激光刻写技术结合湿法刻蚀方法制备带有悬切边缘的各向异性图案化表面的薄膜，其中，所述激光刻写技术主要是通过激光扫描使金属薄膜表面的刻蚀性质突变，从而金属薄膜表面形成具有抗刻蚀的定向无源自驱动图案，所述湿法刻蚀主要是将未受到抗刻蚀的定向无源自驱动图案保护的金属材料进行刻蚀，从而形成上表面宽于下底面的悬切结构，能够对液滴在非目标方向流动有很好的限制作用。本发明在整个加工过程不需要掩模，直接将预加工雏形结构写于金属薄膜，然后再通过后续湿法刻蚀，方法十分简单、方便。

本发明所述定向无源自驱动图案也可以称为各向异性图案，其目的是对刻写有定向无源自驱动图案的进行选择性刻蚀，形成定向无源自驱动结构。如图1所示，本发明所述定向无源自驱动图案包括多个首尾连接的定向无源自驱动图案单元；每个所述定向无源自驱动图案单元包括：宽度逐渐增大的驱动区1、与所述驱动区1连接且宽度逐渐减小的收缩区2，其中所述驱动区1的长度比所述收缩区2的长度长。具体地，所述驱动区1的形状可以是三角形，所述收缩区2也是三角形，其中，驱动区1三角形的底边与收缩区2三角形的底边连接，且驱动区1三角形的高长于收缩区2三角形的高，例如所述驱动区1三角形的高为所述收缩区2三角形的高的3-7倍。多个所述定向无源自驱动图案单元收尾连接形成一列定向无源自驱动图案，例如，第一无源自驱动图案单元的收缩区与第二无源自驱动图案单元的驱动区连接，第二无源自驱动图案单元的收缩区与第三无源自驱动图案单元的驱动区连接，以此类推形成一列定向无源自驱动图案。多列定向无源自驱动图案并列排布形成了完整的定向无源自驱动图案。

需要说明的是，本发明的定向无源自驱动图案单元的首尾以及驱动区或收缩区宽度变化的方向，均是相对图案设计时设定的液滴运动方向来说的。

所述驱动区1由于各向异性结构本身的特性会产生驱动力促使液滴向右驱动转化液滴的动能，所述收缩区2是为实现液滴的长程驱动的图案设计不可避免的液滴状态重置环节，会造成液滴减速。本发明通过设计驱动区1和收缩区2的形状和长度比例，使液滴在穿过收缩区2时动能不为0，随后液滴进入与所述收缩区连接的下一个驱动区被重新驱动，如此继续循环，液滴便可以一直被驱动。

本发明对刻写有定向无源自驱动图案的金属薄膜进行湿法刻蚀，得到如图2所示结构的定向无源自驱动薄膜。本发明的定向无源自驱动结构与目前已有的驱动结构相比，在自驱动长程运输方面有以下几点优势：1.所述定向无源自驱动薄膜具有尖锐的悬切边缘，能够对液滴在非目标方向存在抑制和钉扎作用，促进液滴在目标方向的流动；2.本发明所述定向无源自驱动图案的各向异性特性引发的拉普拉斯压强，会形成对液滴的定向驱动力。本发明能够最大限度的将液滴多余的表面能量转换成在收缩区2处的动能来断开钉扎，实现液滴的可控定向长程运输。

本发明通过激光刻写技术结合湿法刻蚀方法能够制备得到带有悬切边缘的各向异性图案化表面的薄膜实现对液滴进行长程运输。

本发明所述基底是可在刻蚀液中腐蚀的基底。刻蚀液完成对金属薄膜的刻蚀后，会进一步对抗刻蚀的定向无源自驱动图案下方的基底进行刻蚀，通过控制刻蚀时间，即可得到具有悬梁结构(悬臂结构)的定向无源自驱动薄膜。在本发明的一个实现方式中，所述基底为玻璃片、石英片、硅片中的一种。具体地所述基底为载玻片、硅片、玻璃片等基片中的一种。

本发明中金属薄膜的材质是可以通过激光刻写形成抗刻蚀的定向无源自驱动图案层(异质结构层)，并能通过湿法刻蚀可以进行刻蚀的材质。在本发明的一个实现方式中，所述金属薄膜为钛薄膜(ti薄膜)。所述钛薄膜在激光刻写过程中能够在钛薄膜的表面形成抗刻蚀的二氧化钛(tio2)，也就是说，所述钛薄膜的表面有所述二氧化钛材质的抗刻蚀的定向无源自驱动图案层，进而实现选择性刻蚀。而且，由于二氧化钛具有优异的亲水性，使本发明制备得到的定向无源自驱动薄膜表面的超亲水特性使得表面液滴长程连续，液滴分子间的引力使得液滴能够不间断的向被驱动的方向流动。

在本发明的一个实现方式中，其中，所述钛薄膜的厚度为20-200nm。经试验，基底上沉积的ti薄膜的厚度在20-200nm，均可以制备得到具有悬切边缘的定向无源自驱动薄膜。

在本发明的一个实现方式中，所述在基底上沉积金属薄膜所采用的沉积工艺为离子溅射沉积工艺、电子束蒸发沉积工艺、热蒸镀沉积工艺、激光脉冲沉积工艺、磁控溅射沉积工艺中的一种。本发明中的沉积工艺其目的是在基底上制备一层金属薄膜，可以理解的是，金属薄膜还可以采用其他物理气相沉积工艺来制备。

本发明所述激光刻写技术其目的是通过激光扫描的方法在金属薄膜上刻写抗刻蚀的定向无源自驱动图案。在本发明的一个实现方式中，所述激光刻写技术为激光直写技术。相比其他加工方式，激光直写技术具有灵活性高和可多尺度加工的特点，因此可增加定向无源自驱动图案的多样性，进而实现对液滴操控的多样性。本发明还可以采用其他激光刻写系统，并不限于激光直写技术。

本发明通过控制刻写参数可控制悬臂结构上表面的宽度。在本发明的一个实现方式中，所述激光直写技术的刻写参数为：激光功率1-10mw；激光脉宽0.1-10ms。进一步地，所述激光直写技术的刻写参数为：激光功率4mw；激光脉宽1ms，能够使制备得到的定向无源自驱动薄膜对液滴的驱动效果达到最佳。本发明还发现悬臂结构上表面宽度与激光参数直接相关，且湿法刻蚀后变化不明显，进一步说明所述激光直写技术具有优秀的可控性。本发明在激光刻写的时候选取合适的激光刻写功率，从而达到实现激光调控样品表面润湿性的目的。

在本发明的一个实现方式中，所述湿法刻蚀的刻蚀液为氟化氢溶液(hf溶液)。具体地，所述氟化氢溶液为质量百分数为4％-5％的hf稀释溶液。所述氟化氢溶液能够对金属薄膜进行刻蚀，也能够在一定程度上对基底进行腐蚀。

本发明利用hf稀释液对基底具有各向同性刻蚀的特性，能够制备得到具有悬空梁形态的定向无源自驱动结构，具体是刻蚀液先对金属薄膜进行刻蚀再对抗刻蚀的定向无源自驱动图案下方的基底进行刻蚀，从而得到具有悬空梁形态的定向无源自驱动结构。本发明发现所述湿法刻蚀的时间会影响刻蚀的效果，即刻蚀时间过长则会导致刻蚀过度，刻蚀时间过短则会导致刻蚀不足。在本发明的一个实现方式中，所述湿法刻蚀的时间为10-60min。

进一步地，所述湿法刻蚀的时间为20min，可得到形貌均一且具有悬空梁形态的定向无源自驱动结构。具体地，刻蚀液在刻蚀时间为15min完成对50nm的金属薄膜，继续刻蚀5min抗刻蚀的定向无源自驱动图案下方的基底进行刻蚀，得到形貌均一且具有悬空梁形态的定向无源自驱动结构。

如图1所示，在本发明的一个实现方式中，所述定向无源自驱动图案单元还包括：位于所述驱动区和所述收缩区一侧的条形稳健区3。所述稳健区3能够在湿法刻蚀完成后形成稳健层，所述稳健层用于提高液滴定向驱动的稳健性，防止液滴在非目标方向崩塌，从而实现液体的自驱动定向运输能力和稳健性。具体地，所述稳健区3根据所述定向无源自驱动图案的侧边的形状进行变化，例如所述稳健区3距离所述定向无源自驱动图案侧边的宽度相同。本发明所述稳健区3呈现出长条形。同样，所述稳健区3与所述定向无源自驱动图案周期性分布，在金属薄膜上形成抗刻蚀的图案。

如图2所示，本发明提供一种定向无源自驱动薄膜，其中，采用如上所述的定向无源自驱动薄膜的制备方法制备得到。具体地，所述定向无源自驱动薄膜包括：基底4、位于所述基底4上的金属薄膜层5、位于所述金属薄膜层5上的定向无源自驱动图案层6。也就是说，所述定向无源自驱动图案层6与金属薄膜层5在所述基底4上形成了具有定向无源自驱动的各向异性结构。对应于制备方法，稳健区3对应得到稳健层，驱动区1对应得到的宽度逐渐增加的驱动层，收缩区2对应得到宽度逐渐减小的收缩层，且驱动层的长度比收缩层的长度长，从而在基底4表面形成了不对称的各向异性形貌；同时所述各向异性结构具有悬切边缘，即上表面的宽度比下底面的宽度宽，其界面呈楔形。所述稳健层与所述驱动层和所述收缩层之间形成梯形的沟槽。进一步地，金属薄膜层5可以是钛薄膜层，所述定向无源自驱动图案层6可以是二氧化钛层，提供了强亲水性表面。

与传统的利用化学梯度产生各向异性表面相比，本发明定向无源自驱动薄膜是基于不对称的各向异性结构，结合拉普拉斯压强和表面的强亲水性，液体可在表面沿着设计的任意目标方向自发流动，速度相对较快，远输距离长，稳健性高。

下面通过具体地实施例对本发明的技术方案进行说明。

实施例1

步骤一：通过磁控溅射沉积工艺在玻璃基底上沉积一层50nm的ti薄膜。

步骤二：通过激光直写技术将定向无源自驱动图案刻写在50nm金属ti薄膜上，得到图案化的薄膜。其中，激光直写技术的刻写参数为：激光功率4mw；激光脉宽1ms。

步骤三：将得到的图案化的薄膜浸入质量分数为4.5％的hf稀释液中20min，得到定向无源自驱动薄膜。

步骤四：当水雾喷到制备的定向无源自驱动薄膜表面，液滴能够沿着如图1所示虚线箭头所示方向移动，实现长程输运。

实验发现，50nm的ti薄膜可以在大约15分钟的时间内被完全刻蚀，而激光氧化得到的tio2图案被保留。由于hf稀释液对玻璃具有各向同性的刻蚀作用，所以继续将样品浸入刻蚀液中，tio2图案底部的玻璃基底开始被刻蚀掉，通过控制hf稀释液的刻蚀时间(例如刻蚀5min)，得到形貌均一并带有悬切边缘的如图1所示的结构。

实施例2

步骤一：通过磁控溅射沉积工艺在玻璃基底上沉积一层200nm的ti薄膜。

步骤二：通过激光直写技术将定向无源自驱动图案刻写在200nm金属ti薄膜上，得到图案化的薄膜。其中，激光直写技术的刻写参数为：激光功率4mw；激光脉宽1ms。

步骤三：将得到的图案化的薄膜浸入质量分数为4.5％的hf稀释液中100min，得到定向无源自驱动薄膜。

步骤四：当水雾喷到制备的定向无源自驱动薄膜表面，液滴能够沿着如图1所示虚线箭头所示方向移动，实现长程输运。

实施例3

步骤一：通过磁控溅射沉积工艺在玻璃基底上沉积一层20nm的ti薄膜。

步骤二：通过激光直写技术将定向无源自驱动图案刻写在20nm金属ti薄膜上，得到图案化的薄膜。其中，激光直写技术的刻写参数为：激光功率4mw；激光脉宽1ms。

步骤三：将得到的图案化的薄膜浸入质量分数为4.5％的hf稀释液中10min，得到定向无源自驱动薄膜。

步骤四：当水雾喷到制备的定向无源自驱动薄膜表面，液滴能够沿着如图1所示虚线箭头所示方向移动，实现长程输运。

与现有技术采用化学梯度产生的各向异性表面导致液滴存在运动速度慢和远输距离有限相比，本发明采用不对称的各向异性结构对液滴进行自发驱动，通过将各向异性结构表面本身的亲水性导致的液滴铺展能力、不对称结构形貌导致的拉普拉斯压强、通过刻蚀形成的悬切边缘结构对液滴的可控各向异性润湿的三个因素结合，可将液体多余的表面能量转换成在前进边缘处的动能从而断开常规技术中的钉扎现象，实现液滴的自驱动可控定向长程运输。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。