[发明专利]一种超疏水凹角T状微柱结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造领域，更具体地，涉及一种超疏水凹角T状微柱结构的制备方法。

背景技术

超疏水表面(水滴在该表面的表观接触角大于150°，同时接触角滞后小于10°)由于其独特的抗湿、低黏着特性以及自清洁特性，在微流体系统、无损液体传输、微纳机电系统低黏着功能表面以及生物相容性领域存在很大应用前景。目前超疏水表面一般通过对材料表面加工微观粗糙结构并涂覆疏水性材料获取。在粗糙结构表面，液滴与粗糙结构的接触状态决定表面的润湿能力。当液滴处于Wenzel状态时，液滴填满粗糙结构凹槽，固-液接触面增加，表观接触角减小，表现出较大的粘滞现象；当液滴处于Cassie状态时，由于液滴尺度远大于固体表面的粗糙结构尺度，液滴与粗糙结构间易截留空气，导致表观上的固-液接触变为固-液及液-气的复合接触，此时液滴具有较大的表观接触角及较小的接触角滞后，因此液滴处于Cassie状态是固体表面具有超疏水性的必要条件。由Cassie-Baxter理论方程可知，减少固-液界面在水平投影面上的面积分数(即减少固-液接触而增加液-气界面面积)，粗糙结构间截留的空气增多，表观接触角增大，接触滞后角减小，有利于增强固体表面抗湿能力。研究表明，当疏水性材料表面存在本征接触角大于90°液体如水或水溶液，加工与基底表面垂直的微柱粗糙结构(图1(a))，可以使液滴处于Cassie状态；当疏水性材料表面存在本征接触角小于90°的液体如油或有机溶剂，或在亲水性材料表面存在水溶液时，在微柱粗糙结构上加工T状结构(图1(b))可以增加液滴润湿微观结构的液- 气界面面积，从而帮助液滴达到Cassie状态。理论上，这种结构对于本征接触角接近0°的液滴也可达到Cassie状态，然而，这种状态并不稳定，当外界存在微小扰动如声或机械振动时，液-气界面将逐渐下沉直至接触粗糙结构凹槽底端而润湿基底表面。而图1(c)所示的结构，在原有T状结构上制备凹角结构，当液体本征接触角接近0°时在这种结构表面依然处于稳定的Cassie状态，具备超疏水特性，并且这种结构表面的疏水特性与材料无关，适用于任何材料，因而具有非常广泛的应用前景。

然而针对图1(c)所示结构的制备方法，现有技术中使用的工艺非常复杂，需多次使用热氧化硅镀膜、感应耦合等离子体刻蚀、湿法硅刻蚀等方式，涉及的设备非常昂贵，成本很高，同时工艺难度大，可控性差，因此急需开发一种成本低廉且可控性高的工艺方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种超疏水凹角钉状微柱结构的制作方法，其中利用一次电镀工艺生长T状微柱，通过对T状结构的湿法腐蚀得到凹角结构，工艺窗口宽，可操控性强，得到的结构具有优异的超疏水性。

本发明提供了一种超疏水凹角T状微柱结构的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)在基片(1)的一个表面旋凃第一层光刻胶(2)，并执行显影操作得到第一圆孔阵列；

(b)在所述步骤(a)得到的结构中含光刻胶的表面依次沉积粘附层(3)和种子层(4)；

(c)在所述步骤(a)中获得的第一圆孔阵列的表面旋凃第二层光刻胶(5)，并执行显影操作得到第二圆孔阵列，由此得到T状圆孔阵列；

(d)对所述第一圆孔阵列和所述第二圆孔阵列进行电镀填充，得到金 属的T状微柱结构(6)；

(e)去除光刻胶及多余粘附层、种子层；

(f)并在所述T状微柱结构(6)的表面沉积一层保护层(7)；

(g)去除所述T状微柱结构(6)的横状伸出部分并保留柱状结构和所述凹角状的保护层(7)，由此得到凹角T状微柱结构。

进一步地，所述步骤(b)中采用的粘附层(3)材料为钛、钛化钨、钽或氮化钽中的一种，所述种子层(4)材料为铜、镍或金的一种，且所述粘附层(3)和所述种子层(4)采用物理气相淀积形成，所述粘附层(3)的厚度为10～200nm，所述种子层(4)的厚度为50～500nm。

进一步地，所述步骤(d)中的填充材料选自铜、金、银中的任意一种或其混合物，并且其填充方法选用电镀法。

进一步地，所述步骤(d)中电镀填充法的电镀液含加速剂、抑制剂和整平剂，并且加速所述T状圆孔阵列的底部填充速率，抑制其开口的填充速率。

进一步地，所述步骤(g)中的去除所述T状微柱结构(6)的横状伸出部分选择湿法腐蚀方式，并且依次腐蚀所述粘附层(3)、种子层(4)及T状微柱结构的横状伸出部分。