基于纳米探针的微纳三维结构制备方法

本申请涉及先进制造，且特别涉及一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法。

背景技术：

1、三维复杂微纳结构及其器件的制造方法与工艺在材料科学、机械设计与微纳电子等诸多领域备受关注，已成为业内研究的热点。目前的三维微纳结构的设计与制备方法包括微纳加工刻蚀、4d打印、基于主动材料应变驱动组装等。近年来，基于力学屈曲变形理论发展而提出的力学引导的三维组装方法为制备复杂三维微纳结构提供了一种新的途径。该方法基于传统平面微电子加工工艺制备初始二维结构，再转印至预拉伸的平面弹性基底上，接着通过释放预拉伸的基底，将选择性转印在基底上的平面结构精确组装为几何形貌复杂且丰富的三维构型。该方法实现了将纳米结构与电子器件由二维至三维的快速高效组装与原位表征测试，其在航空航天、生物医药、驱动传感机械制造等诸多领域有广阔的应用前景。

2、cn109437091a公开了一种在弹性衬底上制备微纳结构的方法。首先，在刚性衬底上制备金属层，然后在金属层表面制备相应的金属或介质微纳结构。一方面，通过拉伸的弹性衬底直接从刚性衬底上转移下附有金属或介质微纳结构的金属层，腐蚀整层金属层后，释放弹性衬底预拉伸的应力。通过控制弹性衬底的预定拉伸比，可在弹性衬底上制备不同间隙的二维微纳结构。或可直接在弹性衬底上制备出不同立体的三维微纳结构。另一方面，通过未拉伸的弹性衬底直接从刚性衬底上转移下附有金属或介质微纳结构的金属层，腐蚀金属层后，即可在弹性衬底上制备二维微纳结构。

3、上述发明专利申请公开的弹性衬底上制备微纳结构的方法是基于力学屈曲引导的三维组装方法，需要将加工制备的二维前驱体转印到弹性软基底上。该方法涉及了转印技术，但可靠、精准的转印纳米尺度下的复杂结构具有一定的技术挑战性。微纳尺度的二维前驱体结构在弹性软基底上发生面外屈曲变形时需要克服较强的界面粘附力，使得一些微纳尺度的超柔结构无法从弹性软基底上脱粘，容易导致组装失败。同时，通过弹性软基底的变形对二维前驱体结构施加载荷并驱动二维前驱体结构发生面外变形成复杂的三维结构的过程中，弹性软基底施加的载荷多是均匀加载(如只能同时施加相同的压缩或拉伸载荷)，加载的方式不够灵活。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其不需要将二维前驱体转印至弹性基底，而可以直接对微纳三维结构在衬底上进行制备。

2、本申请提供一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其包括以下步骤：

3、s1：在衬底上设置牺牲层与热塑性聚合物层；

4、s2：在所述热塑性聚合物层上沉积金属层，通过微加工工艺刻蚀所述金属层，以形成图案化的所述金属层，

5、刻蚀所述热塑性聚合物层，并去除所述衬底上涂布的所述牺牲层，形成二维前驱体；

6、s3：使用一个或多个纳米探针对所述二维前驱体施加载荷并移动所述纳米探针，带动所述二维前驱体的与所述纳米探针的针尖的接触的部分移动，使所述二维前驱体的结构发生变形，形成三维微纳结构，

7、s4：加热所述三维微纳结构使其产生热塑性，实现所述三维微纳结构的固形。

8、在至少一个可能的实施方式中，步骤s1中设置所述牺牲层和所述热塑性聚合物层的方法为：

9、在所述衬底(10)上涂布牺牲层，然后涂布热塑性聚合材料，再使所述热塑性聚合材料固化形成热塑性聚合物层。

10、在至少一个可能的实施方式中，步骤s2中刻蚀所述金属层方法包括紫外光刻法和/或湿刻法。

11、在至少一个可能的实施方式中，步骤s2中刻蚀所述热塑性聚合物层的方法为等离子刻蚀法。

12、在至少一个可能的实施方式中，步骤s2中沉积所述金属层的方法为电子束蒸发镀膜法。

13、在至少一个可能的实施方式中，步骤s4中加热所述三维微纳结构的方法为红外激光加热法。

14、在至少一个可能的实施方式中，所述衬底为硬质衬底。

15、在至少一个可能的实施方式中，涂布所述牺牲层和所述热塑性聚合材料的方法为旋涂法。

16、在至少一个可能的实施方式中，所述热塑性聚合物层的材料为聚酰亚胺，所述牺牲层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

17、在至少一个可能的实施方式中，所述金属层包括金和/或铜。

18、本申请提供的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，可以摆脱转印技术对微纳三维结构制备的限制，通过探针对二维前驱体结构同时施加多个不同方向和数值的载荷。

技术特征：

1.一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤s1中设置所述牺牲层和所述热塑性聚合物层的方法为：

3.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤s2中刻蚀所述金属层方法包括紫外光刻法和/或湿刻法。

4.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤s2中刻蚀所述热塑性聚合物层的方法为等离子刻蚀法。

5.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤s2中沉积所述金属层的方法为电子束蒸发镀膜法。

6.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤s4中加热所述三维微纳结构(30)的方法为红外激光加热法。

7.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，所述衬底(10)为硬质衬底。

8.根据权利要求2所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，涂布所述牺牲层和所述热塑性聚合材料的方法为旋涂法。

9.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，所述热塑性聚合物层的材料为聚酰亚胺，所述牺牲层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

10.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，所述金属层包括金和/或铜。

技术总结提供了一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其包括以下步骤：S1：在衬底上设置牺牲层与热塑性聚合物层。S2：在所述热塑性聚合物层上沉积金属层，通过微加工工艺刻蚀所述金属层，以形成图案化的所述金属层，刻蚀所述热塑性聚合物层，并去除所述衬底上涂布的所述牺牲层，形成二维前驱体。S3：使用一个或多个纳米探针对所述二维前驱体施加载荷并移动所述纳米探针，带动所述二维前驱体的与所述纳米探针的针尖的接触的部分移动，使所述二维前驱体的结构发生变形，形成三维微纳结构。S4：加热所述三维微纳结构使其产生热塑性，实现所述三维微纳结构的固形。技术研发人员：张一慧,薛兆国,吕增耀,白柯,王月皎,赵建中,兰宇,柏韧恒,赖禹辰,帅雨萌受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17