基于褶皱的新型微纳米结构及加工方法的研究
发布时间：2020-12-22 09:16
过去几十年中,先进电子材料和结构的制造取得了极大的进展,微电子器件和下一代电子产品的发展与复杂微纳米结构的制备息息相关。为了使器件在电学、光学、热学性能有进一步的突破,表面薄膜器件都会以三维或准三维结构代替常规的二维平面结构。当前越来越多的新型的表面结构被开发出来,这对表面微纳结构加工技术的要求越来越高,而目前的常规微纳结构加工方法已经难以满足复杂新型表面结构的加工需要。传统的表面三维结构的加工方法工艺繁琐、成本高昂,而二维结构的加工工艺则简单的多,且可选用的加工技术也更多样。本文提出一种基于褶皱生长行为的微纳结构加工工艺,主要利用激光直写技术,结合褶皱生长现象,在加工二维结构的基础上,完成三维微纳结构的制备,实现了大规模廉价三维微纳结构的制备。本文构建了不同体系的软/硬双层膜样品,通过引入热应力的方式,得到了周期不同的褶皱结构,并分析褶皱形貌讨论了各层薄膜的物理性质对褶皱形貌的影响。通过调控不同的热处理工艺,探索了加工工艺对褶皱形貌的影响。通过调整膜厚比,在5 nm锡/17 nm聚苯乙烯的样品上制备了本征周期最小为200nm褶皱,以氧化铟锡为表面膜制备了透明导电的褶皱结构。利用激光直...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双层膜系统的失稳模型[13]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-从应力角度分析和从能量角度分析得到的结果是一致的，由此推导过程我们可以得知，双层膜体系失稳产生的褶皱结构形貌，与上下两层薄膜的弹性模量及泊松比密切相关。只有基底受到超过临界应力的压缩应力时，系统才会失稳产生褶皱结构。此外由临界失稳公式可知，样品形成的褶皱波长只与薄膜厚度、薄膜材料性能相关，而与应力大小无关。褶皱的振幅则与薄膜所受的应力大小以及金属膜厚度有关。这意味着对于确定的双层膜结构，一旦褶皱结构形成，其波长将不再变化，而振幅将随着应力增大而增大。这些褶皱形成机理对我们利用褶皱生长制备微纳结构提供了理论支撑，我们可以根据褶皱的这些特性来设计加工微纳结构。以上仅仅是在二维层面分析系统失稳产生褶皱结构机理，研究的也只是褶皱的波长、振幅等基本特性。若想把褶皱生长作为一种微纳加工方法，只是能得到正弦型结构是远远不够的。而在不同系统下，在不同的应力条件时薄膜也能获得不同类型的褶皱，如图1-2所示。图1-2双层膜体系失稳常见的褶皱形貌[17]a)正弦型；b)三角型；c)六方型；d)人字型；e)四方型；f)迷宫型Chen等人[18,19]发现若薄膜受面内双向应力，则不会产生正弦型褶皱而是形成人字形褶皱。而对于非等轴加载，Audoly等人[20]分析得出在体系临界失稳时形成的是条纹形貌的褶皱，继续发展则是人字形貌时系统能量最小，形
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-示：()1/8eetktkt=（1-22）式中ek——溶胀饱和平衡态时的波数；et——溶胀饱和平衡态时的时间。可以发现利用溶剂诱导法制备褶皱结构与溶剂的扩散行为密切相关，且制备环境要求很高，十分不利于大面积制备，不适用于微纳结构加工。图1-3溶剂诱导法制备褶皱结构过程[22]1.2.2.3热诱导法热诱导法是利用表皮层和基底层热膨胀系数的不同，从而在对样品进行加热时，上下两层膜间产生应力差，以此来形成褶皱结构的。最早提出利用热膨胀法制备褶皱结构的是Bowden等人[8]，他们成功在Au/PDMS体系上制备了周期最小达10μm的微褶皱结构，主要利用的是PDMS和Au之间热膨胀系数的巨大差异。他们在加热膨胀的PDMS表面镀一层Au薄膜，冷却后PDMS开始回缩，而Au冷却后回缩量远小于聚合物薄膜，因此会受到基底的压应力，只能通过形成褶皱结构的形式来释放应力。除此之外热诱导法还可以通过另一种方式来形成褶皱结构。Yoo等人[24]在玻璃基板上制备了一组Al/PS的双层薄膜，之后将样品放在温度高于PS玻璃态转变温度的烘箱中加热一段时间，冷却至室温后在样品表面得到大面积的褶皱结构。其机理为，当加热温度超过PS的玻璃态转变温度后，PS的物理性质发生一定改变，会由玻璃态慢慢转变为高弹态，此时PS薄膜的弹性模量减小，粘性增加。这个时候Al/PS体系薄膜相对于薄膜基板非常薄，样品此时的热膨胀性质由基底决定，而PS膜相当于一个变形层，只起到粘合基底和Al膜的作用。随着温度升高样品表面受到的热应力逐渐增大，而另一方面，PS的粘性特征也会慢
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光直写光刻工艺技术研究[J]. 邱传凯,杜春雷,侯德胜. 光电工程. 1997(S1)
博士论文
[1]PDMS薄膜基柔性微纳结构的制备及其应用研究[D]. 孟彦成.中国科学技术大学 2019
本文编号：2931518
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双层膜系统的失稳模型[13]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-从应力角度分析和从能量角度分析得到的结果是一致的，由此推导过程我们可以得知，双层膜体系失稳产生的褶皱结构形貌，与上下两层薄膜的弹性模量及泊松比密切相关。只有基底受到超过临界应力的压缩应力时，系统才会失稳产生褶皱结构。此外由临界失稳公式可知，样品形成的褶皱波长只与薄膜厚度、薄膜材料性能相关，而与应力大小无关。褶皱的振幅则与薄膜所受的应力大小以及金属膜厚度有关。这意味着对于确定的双层膜结构，一旦褶皱结构形成，其波长将不再变化，而振幅将随着应力增大而增大。这些褶皱形成机理对我们利用褶皱生长制备微纳结构提供了理论支撑，我们可以根据褶皱的这些特性来设计加工微纳结构。以上仅仅是在二维层面分析系统失稳产生褶皱结构机理，研究的也只是褶皱的波长、振幅等基本特性。若想把褶皱生长作为一种微纳加工方法，只是能得到正弦型结构是远远不够的。而在不同系统下，在不同的应力条件时薄膜也能获得不同类型的褶皱，如图1-2所示。图1-2双层膜体系失稳常见的褶皱形貌[17]a)正弦型；b)三角型；c)六方型；d)人字型；e)四方型；f)迷宫型Chen等人[18,19]发现若薄膜受面内双向应力，则不会产生正弦型褶皱而是形成人字形褶皱。而对于非等轴加载，Audoly等人[20]分析得出在体系临界失稳时形成的是条纹形貌的褶皱，继续发展则是人字形貌时系统能量最小，形
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-示：()1/8eetktkt=（1-22）式中ek——溶胀饱和平衡态时的波数；et——溶胀饱和平衡态时的时间。可以发现利用溶剂诱导法制备褶皱结构与溶剂的扩散行为密切相关，且制备环境要求很高，十分不利于大面积制备，不适用于微纳结构加工。图1-3溶剂诱导法制备褶皱结构过程[22]1.2.2.3热诱导法热诱导法是利用表皮层和基底层热膨胀系数的不同，从而在对样品进行加热时，上下两层膜间产生应力差，以此来形成褶皱结构的。最早提出利用热膨胀法制备褶皱结构的是Bowden等人[8]，他们成功在Au/PDMS体系上制备了周期最小达10μm的微褶皱结构，主要利用的是PDMS和Au之间热膨胀系数的巨大差异。他们在加热膨胀的PDMS表面镀一层Au薄膜，冷却后PDMS开始回缩，而Au冷却后回缩量远小于聚合物薄膜，因此会受到基底的压应力，只能通过形成褶皱结构的形式来释放应力。除此之外热诱导法还可以通过另一种方式来形成褶皱结构。Yoo等人[24]在玻璃基板上制备了一组Al/PS的双层薄膜，之后将样品放在温度高于PS玻璃态转变温度的烘箱中加热一段时间，冷却至室温后在样品表面得到大面积的褶皱结构。其机理为，当加热温度超过PS的玻璃态转变温度后，PS的物理性质发生一定改变，会由玻璃态慢慢转变为高弹态，此时PS薄膜的弹性模量减小，粘性增加。这个时候Al/PS体系薄膜相对于薄膜基板非常薄，样品此时的热膨胀性质由基底决定，而PS膜相当于一个变形层，只起到粘合基底和Al膜的作用。随着温度升高样品表面受到的热应力逐渐增大，而另一方面，PS的粘性特征也会慢
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光直写光刻工艺技术研究[J]. 邱传凯,杜春雷,侯德胜. 光电工程. 1997(S1)
博士论文
[1]PDMS薄膜基柔性微纳结构的制备及其应用研究[D]. 孟彦成.中国科学技术大学 2019
本文编号：2931518
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