一种微纳米管状结构的加工方法与流程

技术领域本发明涉及三维微纳米结构与器件技术领域，特别是涉及一种微纳米管状结构的加工方法。

背景技术：
三维手性结构有着广泛的应用，人们通过双光子干涉曝光、激光烧蚀、激光干涉曝光、灰度曝光、聚焦电子束/离子束刻蚀、沉积、辐照等工艺，制备出了多种多样的三维微纳结构，制备了例如微纳镊子，三维光子晶体，三维超材料阵列等一系列的器件结构。但是现有的三维制备方法，还不能满足管状手性结构的加工。基于灰度曝光技术加工三维结构，实现高的高宽比图形的金属化或功能化处理依然是难题；聚焦电子束/离子束刻蚀、辅助沉积可以制备自支撑的三维微纳米结构，但不仅要耗费大量的时间，而且无法制备高纯的金属材料。因此急需发展一种功能化自支撑手性管状结构的可设计、可控、高效的大面积制备方法。

技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种微纳米管状结构的加工方法，能够高可控性、高精度、大面积、高效地制备微纳米管状结构的材料。特别地，本发明提供了一种微纳米管状结构的加工方法，包括以下步骤：s101、在基底上制备过渡层；s102、在所述过渡层上制备纳米薄膜；s103、将所述纳米薄膜与所述基底分离，得到分离后的纳米薄膜；s104、将所述分离后的纳米薄膜转移到支架衬底上；s105、将所述纳米薄膜进行平面内微纳米结构的加工，得到微纳米图形结构；s106、将所述微纳米图形结构进行离子束辐照变形，得到微纳米管状结构的成品。进一步地，所述步骤s101中过渡层的材料是与基底以及所要生长的纳米薄膜不发生反应的光刻胶、聚合物、表面活性剂、家用洗洁精中的一种或几种。进一步地，所述步骤s102中纳米薄膜的材料是半导体、金属或绝缘介质中的一种或几种；可选地，所制备的纳米薄膜是单层或多层结构。进一步地，所述步骤s103是将有过渡层的基底上生长的纳米薄膜放入能溶解所述过渡层的溶液中，使所述过渡层溶解，从而将所述过渡层上的所述纳米薄膜与所述基底分离，并使所述纳米薄膜漂浮或悬浮在溶液中。进一步地，所述步骤s104是将支架衬底放入到步骤s103处理完毕的具有漂浮纳米薄膜的溶液中，移动所述支架衬底，使所述纳米薄膜附着在所述支架衬底上表面，并从溶液中将附有纳米薄膜的支架衬底取出，得到悬空的纳米薄膜。进一步地，所述支架衬底是利用微纳加工方法获得的孔洞型支架衬底，或是网栅以及薄膜窗口的一种或几种。进一步地，所述步骤s105中将在悬空的纳米薄膜本体上制备一端固定的悬臂梁式微纳米图形结构。进一步地，所述步骤s106中对步骤s105中制备的所述微纳米图形结构进行串行式离子束辐照，利用离子束的辐照作用，使所述微纳米图形结构进行卷曲变形，形成三维立体薄膜微纳米结构，得到微纳米管状结构的成品；可选地，所述离子束种类为聚焦离子束；可选地，所述辐照方式包括对所述支架衬底及其上所有的所述微纳米图形结构的某一部位进行辐照，然后改变辐照区域，依次进行多次辐照，从而使得所述微纳米图形结构的纳米薄膜形成卷曲的微纳米管状结构。进一步地，所述步骤s106中采用不同的离子束辐照参数，控制纳米薄膜上微纳米图形的弯曲程度；可选地，所述离子束辐照参数包括：离子束的能量、剂量、束流、离子束的扫描速度、扫描方式、离子束辐照次数以及离子束入射角，所述离子束入射角是入射离子束与微纳米结构图形所在平面的夹角。进一步地，所述微纳米管状结构的成品为半圆形横截面卷曲结构、双半圆非对接卷曲结构或多次卷曲手性管结构。本发明提供的微纳米管状结构的加工方法，依次通过纳米薄膜在衬底上的生长，纳米薄膜与衬底的分离，纳米薄膜到支架衬底的转移，悬空纳米薄膜平面内局部位置微纳米图形的加工，离子束辐照诱导纳米薄膜微纳米图形的多次卷曲形变这一系列的工艺过程。这些过程的有机结合，能够高可控性、高精度、大面积、高效地制备微纳米管状结构的材料。本发明提供的微纳米管状结构的加工方法，克服了现有微纳米加工技术在三维图形制备中的不足，即无法同时实现复杂图形形状可设计、多功能化、大面积、高效、可控加工的瓶颈。本发明大大扩展了三维微纳米结构的制备范围，为新型多功能三维微纳米器件的加工应用提供了新方法。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法的流程示意图；图2是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法的各加工步骤示意图；图3a是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法制备的微纳米管状结构为半圆形横截面卷曲结构的扫描电子显微镜(英文全称scanningelectronmicroscope，英文简称SEM)图；图3b是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法制备的微纳米管状结构为双半圆非对接卷曲结构的SEM图；图3c是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法制备的微纳米管状结构为多次卷曲手性管结构的SEM图。具体实施方式图1是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法的流程示意图。图2是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法的各加工步骤示意图。如图1所示，一种微纳米管状结构的加工方法，包括以下步骤：s101、在基底1(参见图2)上制备过渡层2(参见图2)；s102、在所述过渡层2(参见图2)上制备纳米薄膜3(参见图2)；s103、将所述纳米薄膜3(参见图2)与所述基底1(参见图2)分离，得到分离后的纳米薄膜4(参见图2)；s104、将所述分离后的纳米薄膜4(参见图2)转移到支架衬底5(参见图2)上；s105、将所述分离后的纳米薄膜4(参见图2)进行平面内微纳米结构的加工，得到微纳米图形结构6(参见图2)；s106、将所述微纳米图形结构6(参见图2)进行离子束辐照变形，得到微纳米管状结构7(参见图2)的成品，支架衬底5(参见图2)上会留下空洞8(参见图2)。具体地，步骤s101中，如图2所示，首先进行基底1的选取，清洗，然后在基底1上制备过渡层2。基底1材料可以是硅、玻璃、锗、氮化硅或者其他表面光滑的材料，对于基底1的清洗可以使用超声波清洗、蒸馏水、去离子水、丙酮或者其他的有机溶剂清洗，过渡层2的材料可以是与基底1以及所要生长的纳米薄膜3不发生反应的光刻胶、聚合物、表面活性剂、家用洗洁精中的一种或几种，并在纳米薄膜3生长后仍能溶于所需的溶液中即可。制备过渡层3的方法可以是本领域技术人员常用的技术方法，如粉末法、料浆法、气体法、真空法或喷涂法等。步骤s102中，如图2所示，纳米薄膜3的材料是半导体、金属或绝缘介质中的一种或几种，所制备的纳米薄膜3是单层或多层结构。其可以通过多种薄膜生长的方法获得各种薄膜材料，能满足多领域不同的需求。步骤s103中，如图2所示，将有过渡层2的基底1上生长的纳米薄膜3放入能溶解所述过渡层2的溶液中，使过渡层2溶解，从而将过渡层2上的纳米薄膜3与基底1分离，并使纳米薄膜3漂浮或悬浮在所述溶液中，得到具有漂浮或悬浮纳米薄膜3的溶液，其中漂浮或悬浮在所述溶液中的纳米薄膜3即为所得到的分离后的纳米薄膜4。步骤s104中，如图2所示，将支架衬底5放入到步骤s103处理完毕的具有漂浮纳米薄膜的溶液中，移动支架衬底5，使分离后的纳米薄膜4附着在支架衬底5的上表面，并从所述具有漂浮或悬浮纳米薄膜3的溶液中将附有分离后的纳米薄膜4的支架衬底5取出，得到悬空的纳米薄膜。其中，优选地，支架衬底5是利用微纳米加工方法获得的孔洞型支架衬底，或是网栅以及薄膜窗口的一种或几种。步骤s105中，如图2所示，将在悬空的纳米薄膜本体上制备一端固定的悬臂梁式微纳米图形结构6，所述微纳米图形结构6的图形的尺寸与形状可多样化。步骤s106中，如图2所示，对步骤s105中制备的微纳米图形结构6进行串行式离子束辐照，利用离子束的辐照作用，使微纳米图形结构6进行卷曲变形，形成三维立体薄膜微纳米结构，得到微纳米管状结构7的成品。离子束种类为聚焦离子束，辐照方式包括对支架衬底5及其上所有的微纳米图形结构6的某一部位进行辐照，然后改变辐照区域，依次进行多次辐照，从而使得微纳米图形结构6的纳米薄膜形成卷曲的微纳米管状结构7。优选地，步骤s106中采用不同的离子束辐照参数，可控制纳米薄膜上微纳米图形结构6每一次的弯曲程度；所述离子束辐照参数包括：离子束的能量、剂量、束流、离子束的扫描速度、扫描方式、离子束辐照次数以及离子束入射角，所述离子束入射角是入射离子束与微纳米结构图形所在平面的夹角。在一个优选地实施方式中，微纳米图形结构6发生卷曲形变所使用的离子束种类是聚焦离子束，离子束的束流不小于10pA(皮安),离子的能量大于2000eV(电子伏特)。所采用离子束的辐照方式包括对支架衬底及其上所有的微纳米图形结构的某一部位进行辐照，然后改变辐照区域，依次进行多次复照，形成卷曲弯曲。采用不同的离子束辐照参数，可控制纳米薄膜上微纳米图形结构6每一次的弯曲程度，并使弯曲的图形与纳米薄膜平面的夹角范围控制在0到360°之间。图3a是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法制备的微纳米管状结构为半圆形横截面卷曲结构的扫描电子显微镜(英文全称：scanningelectronmicroscope，英文简称：SEM)图；图3b是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法制备的微纳米管状结构为双半圆非对接卷曲结构的SEM图；图3c是根据本发明一个实施例的一种微纳米管状结构的加工方法制备的微纳米管状结构为多次卷曲手性管结构的SEM图。如图3a、图3b、图3c所示，微纳米管状结构7的成品可以具有多种结构，包括半圆形横截面卷曲结构、双半圆非对接卷曲结构和多次卷曲手性管结构，其中图3a中右下角的标尺为5μm、图3b中右下角的标尺为10μm、图3c中右下角的标尺为4μm。微纳米管状结构7的卷曲程度通过采用不同的离子束辐照参数进行控制。本发明中提供的一种微纳米管状结构的加工方法，依次通过纳米薄膜3在基底1上的生长，纳米薄膜3与基底1的分离，纳米薄膜3到支架衬底5的转移，悬空纳米薄膜平面内局部位置微纳米图形结构6的加工，离子束辐照诱导纳米薄膜微纳米图形结构6的多次卷曲形变这一系列的工艺过程。这些过程的有机结合，其特点在于可通过多种薄膜生长的方法获得各种薄膜材料，能满足多领域不同的需求，能够高可控性、高精度、大面积、高效地制备微纳米管状结构的材料。本发明中提供的一种微纳米管状结构的加工方法，采用过渡层2溶解的方法使薄膜材料与基底1分离，具有经济、简单、实用的优点；采用支架结构为支撑衬底3，具有高度的灵活性与可操作性，尤其是在纳米光学与高性能生物传感上，具有潜在的应用。在悬空的纳米薄膜上进行平面内局部微纳米图形结构6的制备，具有高可控性、高精度、高重复性等特点。通过离子束辐照，使功能薄膜3平面内的微纳米图形结构6发生可控的三维形变，具有大面积、高可控、可设计和高效等特点。本发明提供的微纳米管状结构的加工方法，克服了现有微纳米加工技术在三维图形制备中的不足，即无法同时实现复杂图形形状可设计、多功能化、大面积、高效、可控加工的瓶颈。本发明大大扩展了三维微纳米结构的制备范围，为新型多功能三维微纳米器件的加工应用提供了新方法。至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。