一种微纳尺度机械互锁结构及制备方法

本发明涉及微纳机电系统，尤其涉及一种微纳尺度机械互锁结构及制备方法。

背景技术：

1、硅基微纳机电系统是一种将微电子技术、微机械技术、光学技术和材料科学等多种技术融合在一起的新型技术，应用领域非常广泛，包括汽车产业、医疗及健康监护产业、通信产业以及手机和游戏机等个人电子消费品产业，具有微型化、集成化、可靠性高、精度高和成本低等优势。基于硅微纳米线可形貌定制和易于转移悬空的突出优势，已被广泛应用于制备振镜、加速器、微纳机械手、生物探针等。

2、但本申请发明人发现，通过转移微纳米硅线方法制造的悬空器件一直存在着与衬底接触较差且在使用过程中易于振动脱离衬底的问题，严重限制着器件的性能稳定性及可应用领域。

3、发表于《国家科学评论》（national science review, nsr）的文章（ji s, chenx. enhancing the interfacial binding strength between modular stretchableelectronic components[j]. national science review, 2023, 10(1): nwac172.）中综述介绍了多种增强可拉伸电子元件之间的界面结合强度的方法。一种是通过化学方法形成共价键合，该方法适用于特定材料或是需要引入别的物质，但是不适用于硅基纳米线与衬底的接触，甚至会影响器件性能。另一种是机械联锁，该文章中提及的机械联锁分两种，一是由于大多数可拉伸部件是聚合物，通过聚合物链缠结来增强结合强度，这种只适用于聚合物，难以在由无机物构成的器件上使用；另一种是形成微观树根状的结构，该方法侧重于界面间的微观结构的设计，主要通过增加界面接触面积和摩擦力来增强结合强度，不适用于纳米线结构与界面的结合。该综述主要介绍的方法主要适用于可拉伸器件的相关材料，并且主要侧重于增强界面与界面之间微观结构的结合强度。

4、因此，亟需开发一种简便、高效且可靠的适用于纳米线与衬底之间的接触与固定的方案。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种微纳尺度机械互锁结构，并且主要利用的是硅纳米线的形貌设计与微纳米柱之间的匹配，利用机械结构嵌套实现互锁。同时本申请还涉及到该互锁结构的制备方法。

2、本发明提供一种微纳尺度机械互锁结构，其特征在于：包括至少一根设置于衬底上的具有预设深度的微纳米立柱，及至少带有一个钩状结构的微纳米硅线，所述微纳米硅线的钩状结构与微纳米立柱的形状、数量匹配，且与所述微纳米立柱嵌套互锁。

3、作为优选，所述微纳米立柱的预设深度范围为200纳米～500微米，形状包括但不限于圆柱体、长方体。

4、作为优选，所述微纳米硅线的直径范围在10纳米～500微米，其钩状结构包括但不限于圆形、方形。

5、本发明还公开了一种微纳尺度机械互锁结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

6、第一步，利用光刻在衬底上定义出立柱形状，利用刻蚀方法制备设定深度的微纳米立柱；

7、第二步，制备与微纳米立柱大小和分布匹配的钩子形状纳米线；

8、第三步，采用挑线工艺将步骤二中得到的带有钩子形状的微纳米硅线与步骤一得到的立柱嵌套互锁。

9、作为优选，在第二步中钩子形状纳米线制备方法为：

10、利用平面纳米线引导生长工艺通过光刻和刻蚀在氧化硅片衬底表面形成预设的钩子形状的引导沟槽，之后通过光刻和蒸发工艺沉积形成催化金属条带，将上述衬底置于等离子增强化学沉积系统中，氢等离子体处理去除催化金属表面氧化层并形成金属液滴，沉积非晶硅后并退火生长出具有钩子结构的硅纳米线；

11、或者，通过电子束光刻结合刻蚀工艺制备与立柱大小和分布匹配的钩子形状的纳米硅线；

12、或者，通过普通光刻结合刻蚀工艺制备与立柱大小和分布匹配的钩子形状的微米硅线。

13、本申请提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

14、1、本发明的机械互锁结构由传统硅材料制成，制作方法简单且与传统硅工艺兼容；

15、2、本发明将微纳米线钩子与立柱巧妙结合，形成稳定的机械互锁结构，有效解决了传统的直线形状微纳米线与衬底的一维接触差的问题，使得悬空微纳米器件在使用过程中更加稳定；

16、3、本发明的机械互锁结构使得微纳米线器件在承受较大的拉力形变时钩状结构可发生沿立柱的微小转动，更好地释放应力，减少对微纳米线器件的损伤。

技术特征：

1.一种微纳尺度机械互锁结构，其特征在于：包括至少一根设置于衬底上的具有预设深度的微纳米立柱，及至少带有一个钩状结构的微纳米硅线，所述微纳米硅线的钩状结构与微纳米立柱的形状、数量匹配，且与所述微纳米立柱嵌套互锁。

2.根据权利要求1所述的微纳尺度机械互锁结构，其特征在于：所述微纳米立柱的预设深度范围为200纳米～500微米，形状包括圆柱体、长方体。

3.根据权利要求1所述的微纳尺度机械互锁结构，其特征在于：所述微纳米硅线的直径范围在10纳米～500微米，其钩状结构包括圆形、方形。

4.一种微纳尺度机械互锁结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的微纳尺度机械互锁结构的制备方法，其特征在于：在第二步中钩子形状纳米线制备方法为：

技术总结本发明公开了一种微纳尺度机械互锁结构，包括至少一根设置于衬底上的具有预设深度的微纳米立柱，及至少带有一个钩状结构的微纳米硅线，所述微纳米硅线的钩状结构与微纳米立柱的形状、数量匹配，且与所述微纳米立柱嵌套互锁。本发明的互锁微纳米线结构由传统硅材料制成，制备过程简单且可与成熟的硅工艺兼容，且获得的互锁结构使得微纳米线结构可承受大的外力而不发生脱落。技术研发人员：余林蔚,张颖,刘宗光,王军转受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15