一种可控晶面取向的薄膜材料及其制备方法

1.本发明涉及微纳加工技术领域，具体涉及一种可控晶面取向的薄膜材料及其制备方法。背景技术：2.薄膜的晶面取向、成分、晶粒尺寸以及界面应力等都会极大地影响薄膜性能，不同择优取向的薄膜可以展现出不同的性质，根据不同要求可以应用于微电子技术、光电子技术、mems技术等。如何制备性能良好的薄膜，满足集成器件的要求，成为制约薄膜应用的关键环节。3.现有主要采用分子束外延法制备薄膜，但该方法薄膜生长速度慢，且要求材料和衬底要严格匹配。4.因此，现有技术还有待于改进和发展。技术实现要素：5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可控晶面取向的薄膜材料及其制备方法，旨在解决现有薄膜制备方法薄膜生长速度慢，要求材料和衬底严格匹配的问题。6.本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，包括：7.将飞秒激光聚集在衬底上，通过飞秒激光在所述衬底表面加工出三维结构阵列；8.将飞秒激光聚集在所述三维结构阵列上，通过飞秒激光在所述衬底表面加工出三维超润湿模板阵列；9.将水溶性晶体颗粒滴加到所述三维超润湿模板阵列上，并对所述衬底进行加热处理，得到可控晶面取向的薄膜材料；其中，所述三维结构阵列包括若干三维结构，所述若干三维结构的尺寸和形状由所述水溶性晶体颗粒的尺寸和形状确定。10.所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，所述衬底为玻璃、蓝宝石、石英和硅片中的一种。11.所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，聚集在衬底上的飞秒激光满足：扫描速度为400mm/s，波长为535nm，功率为3000～5000mw，扫描次数为3～6次。12.所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，所述将飞秒激光聚集在衬底上的步骤之前包括：13.对衬底进行抛光处理；14.对抛光处理后的衬底进行洗涤和干燥。15.所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，聚集在三维结构阵列上的飞秒激光满足：扫描速度为400mm/s，波长为535nm，功率为1500～3000mw，扫描次数为1～2次。16.所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，所述水溶性晶体颗粒为金属有机框架材料、磁性材料、氧化物和硫化物中的一种或多种。17.所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，所述加热处理的温度为30℃～80℃，所述加热处理的时间为5～10min。18.所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，所述若干三维结构的形状为半球形、四面体、八面体和十六面体中的一种或多种。19.所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，其中，所述若干三维结构的高度为0.03～0.06mm，所述若干三维结构的长度和宽度大于或等于0.2mm且小于或等于所述水溶性晶体颗粒的长度和宽度。20.一种可控晶面取向的薄膜材料，其中，采用所述的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法制备而成。21.有益效果：本发明通过三维超润湿模板阵列的超湿润性吸附水溶性晶体颗粒，并利用衬底表面的加工区域与未加工区域的表面能差异，对水溶性晶体颗粒的扩散进行限制，得到晶粒取向一致，尺寸大小均一的可控晶面取向的薄膜材料，薄膜生长速度快，制备方法简单，制备过程不受材料和衬底约束。附图说明22.图1是本发明实施例提供的可控晶面取向的薄膜材料的制备方法的流程示意图；23.图2是本发明实施例提供的可控晶面取向的薄膜材料的结构示意图。具体实施方式24.本发明提供一种可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下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。25.薄膜的晶面取向、成分、晶粒尺寸以及界面应力等都会极大地影响薄膜性能，不同择优取向的薄膜可以展现出不同的性质，根据不同要求可以应用于微电子技术、光电子技术、mems技术等。如何制备性能良好的薄膜，满足集成器件的要求，成为制约薄膜应用的关键环节。现有主要采用分子束外延法制备薄膜，但该方法薄膜生长速度慢，且要求材料和衬底要严格匹配。26.为了解决上述问题，如图1所示，本发明实施例提供了一种可控晶面取向的薄膜材料的制备方法，所述方法包括：27.s1、将飞秒激光聚集在衬底上，通过飞秒激光在所述衬底表面加工出三维结构阵列。28.飞秒激光技术在切割、打孔方面具有独特的优势，相比于电子束刻蚀、湿法刻蚀等传统的三维结构加工方式，可以冷加工出非常平整的切面，可以可控的加工出任意形状的三维结构。本实施例为了在不受材料和衬底约束的情况下制备可控晶面取向的薄膜材料，首先根据选择的水溶性晶体颗粒确定三维结构阵列中若干三维结构的形状和尺寸，然后将飞秒激光聚焦在衬底上，通过飞秒激光在所述衬底表面加工出三维结构阵列，本实施例中通过飞秒激光在衬底表面加工出三维结构阵列，所述三维结构阵列为超湿润性的微纳米图案，极大地增强了衬底的表面湿润性。29.在一具体实施方式中，所述衬底为可被激光加工的任意衬底材料，本实施例中可根据科研要求或根据薄膜材料的应用场景选择不同的衬底。在一具体实施例中，所述衬底为玻璃、蓝宝石、石英和硅片中的一种。30.考虑到飞秒激光在衬底上的加工条件会影响加工出的三维结构阵列的质量，进而影响制备出的可控晶面取向的薄膜材料，本实施例中将飞秒激光聚集在衬底上时，设置飞秒激光的波长为535nm，飞秒激光的功率为3000～5000mw，飞秒激光对衬底的扫描速度为400mm/s，飞秒激光对衬底的扫描次数为3～6次。例如，波长和功率分别为535nm和5000mw的飞秒激光以400mm/s的扫描速度对衬底扫描5次。31.在一具体实施方式中，步骤s100中所述将飞秒激光聚集在衬底上的步骤之前包括：32.s01、对衬底进行抛光处理；33.s02、对抛光处理后的衬底进行洗涤和干燥。34.具体地，本实施例使用飞秒激光对所述衬底进行加工前，对所述衬底表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的衬底，然后对表面抛光后的衬底进行洗涤和干燥，去除衬底表面残留的污染物，得到表面平整且光亮的衬底。35.在一具体实施方式中，所述可控晶面取向的薄膜材料的制备方法还包括：36.s2、将飞秒激光聚集在所述三维结构阵列上，通过飞秒激光在所述衬底表面加工出三维超润湿模板阵列。37.考虑到飞秒激光加工出的三维结构阵列表面较粗糙，本实施例中在衬底表面加工出三维结构阵列后，将飞秒激光聚焦在所述三维结构阵列上，通过飞秒激光对所述三维结构阵列进行进一步加工，在所述衬底表面加工出三维超润湿模板阵列，其中，聚集在所述三维结构阵列上的飞秒激光的功率小于聚集在衬底上的飞秒激光的功率，所述三维超润湿模板阵列中各三维超润湿模板的形状和尺寸与所述三维结构阵列中各三维结构的形状和尺寸基本相同，只是各三维超润湿模板相对各三维结构表面更加光滑。在一具体实施方式中，将飞秒激光聚集在所述三维结构阵列上时，飞秒激光的扫描速度为400mm/s，飞秒激光的波长为535nm，飞秒激光的功率为1500～3000mw，飞秒激光的扫描次数为1～2次。例如，波长和功率分别为535nm和3000mw的飞秒激光以400mm/s的扫描速度对三维结构阵列扫描2次。38.在一具体实施方式中，所述可控晶面取向的薄膜材料的制备方法还包括：39.s3、将水溶性晶体颗粒滴加到所述三维超润湿模板阵列上，并对所述衬底进行加热处理，得到可控晶面取向的薄膜材料；其中，所述三维结构阵列包括若干三维结构，所述若干三维结构的尺寸和形状由所述水溶性晶体颗粒的尺寸和形状确定。40.本实施例在所述衬底表面加工出三维超润湿模板阵列后，将水溶性晶体颗粒滴加到所述三维超润湿模板阵列上，利用所述三维超润湿模板阵列的超湿润性吸附所述水溶性晶体颗粒，然后对所述衬底进行加热处理，在加热处理过程中，吸附在三维超润湿模板阵列表面的水溶性晶体颗粒中的多余水分被蒸发，从而制备出可控晶面取向的薄膜材料。本发明通过三维超润湿模板阵列的超湿润性吸附水溶性晶体颗粒，并利用衬底表面的加工区域与未加工区域的表面能差异，对水溶性晶体颗粒的扩散进行限制，根据三维超润湿模板阵列限制的取向和大小，得到晶粒取向一致，尺寸大小均一的可控晶面取向的薄膜材料。41.在一具体实施方式中，所述水溶性晶体颗粒为具有均匀颗粒度大小的晶体材料，通过采用不同的水溶性晶体颗粒，可以得到不同类型的可控晶面取向的薄膜材料。在一具体实施例中，所述水溶性晶体颗粒为微纳米级别的金属有机框架材料、磁性材料、氧化物和硫化物中的一种或多种。42.考虑到加热处理过程中的温度和加热处理的时间等，会影响制备的可控晶面取向的薄膜材料的质量，在一具体实施方式中，所述加热处理的温度为30℃～80℃，所述加热处理的时间为5～10min，在该加热条件下可以制备出高质量的可控晶面取向的薄膜材料。例如，在70℃下加热5min，或者在40℃下加热10min。43.在一具体实施方式中，所述三维结构阵列中的若干三维结构的倾斜角度可以根据需要进行设计，通过设计不同倾斜角度的若干三维结构，可以制备出纳米颗粒具有不同倾斜角度的薄膜材料。在一具体实施例中，所述三维结构阵列中的若干三维结构的倾斜角度为0～30°。44.在一具体实施方式中，所述三维结构阵列中的若干三维结构的形状由所述水溶性晶体颗粒的形状确定，由于所述三维超润湿模板阵列中各三维超润湿模板的形状与所述三维结构阵列中各三维结构的形状基本相同，即各三维超润湿模板的形状也由水溶性晶体颗粒的形状确定。例如，当所述水溶性晶体颗粒的形状为正方体时，若干三维结构的形状为正方体；当所述水溶性晶体颗粒的形状为具有厚度的片材时，若干三维结构的形状为长方体；当所述水溶性晶体颗粒的形状为球形时，若干三维结构的形状为半球形。在一具体实施例中，所述三维结构的形状为半球形、四面体、八面体和十六面体中的一种或多种。45.在一具体实施方式中，所述三维结构阵列中的若干三维结构的尺寸由所述水溶性晶体颗粒的尺寸确定，由于所述三维超润湿模板阵列中各三维超润湿模板的尺寸与所述三维结构阵列中各三维结构的尺寸基本相同，即各三维超润湿模板的尺寸也由水溶性晶体颗粒的尺寸确定。在一具体实施例中，所述若干三维结构的高度为0.03～0.06mm，所述三维结构的长度和宽度大于或等于0.2mm且小于或等于所述水溶性晶体颗粒的长度和宽度。46.在一具体实施方式中，本发明还提供一种采用上述可控晶面取向的薄膜材料的制备方法制备而成的可控晶面取向的薄膜材料。如图2所示，所述可控晶面取向的薄膜材料2沉积于所衬底1上，所述衬底1为玻璃、蓝宝石、石英和硅片中的一种。本发明可控晶面取向的薄膜材料2的制备方法简单，生长速度快，不受材料和衬底的约束，晶粒取向一致，尺寸大小均一。47.下面通过具体实施例对本发明进行进一步的解释说明。48.实施例149.(1)将波长和功率分别为535nm和5000mw的飞秒激光聚焦在硅片上，以400mm/s的扫描速度扫描硅片5次，使硅片表面一层一层剥离，在硅片表面加工出三维结构阵列；其中，三维结构阵列中若干三维结构的倾斜角度为3°，若干三维结构的形状为长方体，若干三维结构的长为5mm，宽为0.4mm，深度为0.06mm；50.(2)将波长和功率分别为535nm和3000mw的飞秒激光聚焦在三维结构阵列上，以400mm/s的扫描速度扫描三维结构阵列2次，在所述衬底表面加工出三维超润湿模板阵列；51.(3)将水溶性晶体颗粒滴加到所述三维超润湿模板阵列上，并将衬底放置在加热台上，将衬底在60℃下加热10min，得到可控晶面取向的薄膜材料。52.实施例253.(1)将波长和功率分别为535nm和5000mw的飞秒激光聚焦在硅片上，以400mm/s的扫描速度扫描硅片5次，使硅片表面一层一层剥离，在硅片表面加工出三维结构阵列；其中，三维结构阵列包括按列相间排列的若干第一三维结构和若干第二三维结构，若干第一三维结构的形状为长方体，若干第一三维结构的长为5mm，宽为0.4mm，深度为0.06mm，若干第二三维结构的形状为半球形，若干第二三维结构的半径为1mm；54.(2)将波长和功率分别为535nm和3000mw的飞秒激光聚焦在三维结构阵列上，以400mm/s的扫描速度扫描三维结构阵列2次，在所述衬底表面加工出三维超润湿模板阵列；55.(3)将水溶性晶体颗粒滴加到所述三维超润湿模板阵列上，并将衬底放置在加热台上，将衬底在60℃下加热10min，得到可控晶面取向的薄膜材料。56.综上所述，本发明公开了一种可控晶面取向的薄膜材料及其制备方法，包括：将飞秒激光聚集在衬底上，通过飞秒激光在所述衬底表面加工出三维结构阵列；将飞秒激光聚集在所述三维结构阵列上，通过飞秒激光在所述衬底表面加工出三维超润湿模板阵列；将水溶性晶体颗粒滴加到所述三维超润湿模板阵列上，并对所述衬底进行加热处理，得到可控晶面取向的薄膜材料；其中，所述三维结构阵列包括若干三维结构，所述若干三维结构的尺寸和形状由所述水溶性晶体颗粒的尺寸和形状确定。本发明通过三维超润湿模板阵列的超湿润性吸附水溶性晶体颗粒，并利用衬底表面的加工区域与未加工区域的表面能差异，对水溶性晶体颗粒的扩散进行限制，得到晶粒取向一致，尺寸大小均一的可控晶面取向的薄膜材料，薄膜生长速度快，制备方法简单，制备过程不受材料和衬底约束。57.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。