[发明专利]一种胶体微球单层膜的自组装制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米球刻蚀法和光子晶体的制作等微细加工技术领域，具体涉及一种胶体微球单层膜的自组装制备方法。

背景技术

在纳米尺度的结构或器件有很多奇特的新现象，如量子限制效应、库仑阻塞效应、量子隧穿效应等等。因此，近年来纳米材料、纳米器件的集成与应用技术已成为各国科研结构的研究热点。美国政府在2000年初推出国家纳米计划（NNI），欧洲各国每年都投资数十亿的基金来进行纳米技术的研发，我国的纳米科研基金项目也在以30%的速度逐年稳定增长。各种新的纳米材料、纳米产品相继问世，纳米陶瓷、纳米碳管、纳米半导体薄膜、纳米家电、纳米计算机等已经进入并改变人们的生活。众多现象都在表明，人类已经进入纳米时代。

实现材料表面结构和性质的纳米尺度加工或图案化，特别是现有结构的微型化或新型微小结构的成功构造，对现代纳米科学理论和技术的发展应用显得尤为重要。除了对半导体微电子技术中的集成电路、微机电系统、数据存储有巨大推动作用外，微加工或图案化技术还对微型光学元件、生物载体、机械材料和小型传感器等的响应速度、成本、能耗和性能有优化作用。然而，纳米结构的制作加工面临着很多困难。目前，传统光学光刻技术、电子束刻蚀技术、离子束直写技术等技术是应用最为广泛的，最为成熟的刻蚀方法。电子束、离子束利用高能粒子进行直写加工，往往可获得1-2纳米的高分辨率，但是设备昂贵、制备过程复杂、生产效率低、生产成本高，难以实现产业化。传统光学光刻技术受衍射极限的限制，其分辨率仅为λ/2（λ为曝光光波长）。以“深紫外、X射线”为代表的新光学光刻技术主要通过不断缩短波长来实现高分辨率的纳米光刻，但波长的缩短引入了一系列的其他问题，如掩膜，抗蚀剂，成像系统工艺及设备等都需要进行相应的调整和再研制，这不但会给技术上带来极大的困难，同时研发成本也会增加。

纳米球刻蚀法（NSL,Nanosphere Lithography）是近年来国际上兴起的一种新的纳米结构制备高新技术，主要利用二维有序胶体晶体结构来制备纳米结构。其过程如下：先在衬底表面制备单层二维有序胶体晶体，然后以这种单层膜为掩模在衬底上淀积金属，再以这种金属为掩模进行刻蚀，最后去掉掩膜，得到衬底上的纳米二维有序阵列。这种方法的技术设备和制备过程简单、生产效率高、投入成本低，基本克服上述传统制备方法的缺点。其中，在衬底表面制备单层二维有序胶体晶体主要是使用的都是自组装方法，即“自上而下”的方法。所谓自组装（self-assembly），是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）不依靠人力就能自发完成组装和构筑有序微纳米结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装被认为是最有发展潜力的微纳米加工方法之一。

利用胶体微球组装的二维有序阵列可结合蒸发、沉积、刻蚀、压印等微纳加工手段得到很多不同形状的纳米结构。这些纳米结构在微电子学、光电催化、纳米光子学和电子运输，以及在超高密度数据存储介质、生物传感器、单电子晶体管等方面都有着非常广阔的应用前景。胶体微球本身的一些化学、光学、电学及磁性特性在许多领域都有潜在的用途。特别是尺寸在可见光波长段的单分散胶体微球，光子穿过这种胶体阵列会相互干涉，产生光子带隙。具有光子带隙材料可称为光子晶体。光子在光子晶体中的行为类似于电子之于半导体，但由于光子没有质量，速度是电子的数倍，即光子晶体处理信息的速度将数倍于半导体器件。因此，光子晶体被预言可能会给未来的通讯和计算机行业带来一场新的技术革命。

胶体微球单层膜的自组装方法有很多，包括自然沉降法、旋涂法、垂直沉积法、汽液界面法、电泳沉降法、胶体外延法等等。旋涂法的基本原理如图1(a)所示，将胶体微球溶液滴涂在基片上，胶体微球在离心力的作用下排列成有序结构。这种方法最为简单，能快速制备出微球单层膜结构，但成膜质量不高，胶体微球很难形成紧密堆积结构，因为旋转速度即离心力的大小是决定胶体晶体质量的关键，不易把握。如果速度不够，溶液中的微球沉降过慢，最后形成多层结构；速度太大，过多微球被甩掉导致留下很多缺陷裂缝。另外的影响因子还包括溶液浓度、周围环境温度、相对湿度。汽液界面法的装置如图1(b)所示，用铺展剂(如乙醇)将其铺展到气液界面上，微球将在液体表面形成无序单层膜。然后在器皿边缘滴入适量的表面活性剂（十二烷基磺酸钠）来改变液体表面张力，表面张力会挤压胶体微球形成有序结构。最后通过捞起或其它方法把紧密排布的微球单层膜转移到基片上。这种方法简单经济可行，微球排布紧密，所需设备比较低廉，缺点是操作难度大，成功率不高，成膜的面积较小。