[发明专利]基于纳米掩膜制备技术的电化学制备纳米阵列结构材料方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种纳米阵列结构制备方法，特别是一种基于纳米掩膜技术的电化学制备纳米阵列结构方法。用于纳米光电子制造技术和光子晶体材料及器件领域。

技术背景

在本世纪，新型高性能材料、器件与系统将依赖于纳米技术的发展。利用纳米技术对实现高性能器件，如高灵敏度传感器、高集成密度纳米器件等具有十分重要的现实意义和社会影响。但由于传统光刻技术受自身光学衍射等方面的限制，很难使图形尺寸接近100纳米，甚至几十纳米。近年来，原子力纳米加工、激光干涉刻蚀和新一代光刻技术如：极紫外(EUV)、X射线、电子束投影和离子束投影等纳米加工技术已被广泛开展，但是，这些技术均存在刻蚀设备非常昂贵的问题，投入成本较高，且有的设备刻蚀速度慢，且刻蚀需在真空条件下完成，难以满足工业生产规模化要求。

经文献检索，发现2003年Kuo C-W等(Advanced Materials，2003，15：1065；J.Phys.Chem.B2003，107，9950)报道了旋涂聚苯乙烯微球掩膜，并沉积Cr膜，然后通过CH2Cl2溶液去除聚苯乙烯，通过离子束刻蚀，获得了柱状纳米硅阵列的结果。相关的中国发明专利，1，专利号为02136120.7、授权公开号为CN 1391264A，名称为“一种基于自组织的纳米颗粒图案的光刻方法”，2，专利号200410054208.8、授权公开号为CN 1606137A，名称为“基于纳米材料排布的纳米刻蚀方法”。以上文献和专利中的刻蚀技术均采用离子束刻蚀技术，由于离子束刻蚀存在设备昂贵，刻蚀速度较慢等不足，从而限制了其工业规模化的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于纳米掩膜的电化学刻蚀制备纳米阵列结构的方法。其主要是利用尺度为几十～几百的纳米材料，通过自组装、旋涂、自然蒸发、垂直提拉或LB膜技术等工艺在材料表面形成纳米阵列掩膜，并在此基础上采用电化学刻蚀方法实现纳米图案的制备。由于尺度为几十～几百的纳米材料的制备工艺较为成熟，且克服传统光刻技术和新一代光刻技术的不足，同时所采用掩膜技术既可以实现纳米多孔结构，又可以实现纳米柱状阵列结构，所采用的电化学刻蚀技术存在设备廉价、工艺简单、高效且能在大气环境下进行等优点，不仅简化了工艺，而且提高了制备效率。本发明具有设备廉价、工艺简单、高效和可在大气环境下进行等特点，且可实现图形的可控性。可在不同导电的衬底材料上实现纳米图案制备。为大规模、高效、低成本实现有序纳米阵列结构材料提供了一种技术方案。

本发明通过以下技术方案实现，具体步骤如下：

一种基于纳米掩膜制备技术的电化学制备纳米阵列结构材料方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)将单分散的无机、有机纳米粒子或无机纳米粒子与聚合物共混的混合物均匀排布在衬底材料表面，形成纳米阵列图形；

b)以a)中纳米阵列图形为掩膜，采用电化学刻蚀进行纳米图形和阵列的刻蚀，在衬底表面形成纳米阵列图案及深度的有序二维阵列结构；

c)除去表面残留纳米材料，获得纳米阵列图案和有序二维阵列结构。

所述纳米掩膜制备技术为步骤a)中，所使用的无机纳米粒子为氧化硅、氧化铝或氧化钛；有机纳米粒子为聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硬脂酸纳米球(SA-NP)、环孢素A硬脂酸纳米球(CYA-SA-NP)或聚糠醛纳米球和壳聚糖人工合成及天然物质纳米粒子。

所述的纳米粒子均匀排布在衬底材料表面，具体为：采用自组装、旋涂、自然蒸发、垂直提拉或LB膜技术在衬底材料表面形成分布均匀有序的纳米颗粒陈列，单层膜的制备能够获得最佳刻蚀效果。

步骤a)无机纳米粒子与聚合物共混的混合物均匀排布为：采用化学反应法除去无机纳米粒子或热蒸发法除去有机物，形成有机物构成的多孔纳米阵列掩膜或无机纳米粒子排布的阵列掩膜。

步骤b)中所述的纳米图形和阵列的刻蚀为：先对无机或有机纳米粒子均匀分布后进行热处理，温度视材料而定，有机物纳米掩膜温度在100～300℃，无机纳米掩膜温度在200～500℃；无机纳米粒子与聚合物共混的混合物均匀排布，然后再电化学刻蚀衬底材料。

所述的衬底材料为镍、铜、铁、钴、铝、钛或锌，合金为钛基合金、钴基合金、铜基合金、镍基合金或铁基合金；半导体材料为锗、硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷化铟或氧化锌及导电的氧化铜、氧化镍或氧化锡。

步骤c)中，所述的除去表面残留纳米材料为利用物理或化学方法去除表面的残留纳米材料，包括高温处理和化学方法。