[发明专利]双层异质结构模具、制造方法及其在制备微纳米材料的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种双层异质结构模具、制造方法及其在制备微纳米材料的应用，属于模具领域。

背景技术

自从德国人Gleiter在1984年成功制备出纳米级别的金属晶体钯、铜、铁等以来，同时由于纳米材料其本身具有表面效应、体积效应和量子尺寸效应等，表现出众多独特的物理化学性质，其在材料领域的研究渐渐成为一个热点。科学家们逐渐发现纳米材料因其结构上的特性使其在医学、催化、光吸收、磁介质、水体处理及新材料等方面具有广阔的应用前景。现有的制备微纳米材料的方法主要可以分为两大类：化学方法和物理方法。具体来说主要有模板合成法、液相沉淀法、气相沉积法、高能球磨法及水热法等方法。其中模板合成法因具有大量其他方法所不具有的优点而被广泛运用。模板法通常被用来制备具有特殊形状的微纳米材料，如微纳米丝、微纳米管和微纳米线等。

目前利用微纳米材料表面特性，通过设计微纳二级结构的几何参数，使微米结构和纳米结构的浸润性呈梯度变化，达到制作一种能滴状冷凝且自集水的微纳结构表面的目的。但现有的制备较复杂且该技术几乎都是实验室级别的合成技术，在工业生产中大批量生产制造很难实现。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种制造简单、实现工业生产的双层异质结构模具、制造方法及其在制备微纳米材料的应用。

本发明所述的一种双层异质结构模具，包括硅衬板，其特征在于：所述的硅衬板的上表层沿硅衬板轴向分布多列微米级凹槽组，并且每列所述的凹槽组包括若干等距排列的微米凹槽，相邻两列凹槽组轴向间距梯度渐增；整个所述的硅衬板上表面分布均匀的纳米级孔，所述的微米凹槽以及分布在微米凹槽表面的纳米级孔形成二级结构。

所述微米凹槽为内凹倒正四棱台。

所述微米凹槽的倒四棱台边长为10～100微米。

所述纳米级孔为内凹半球形结构。

所述纳米级孔的半球直径为50～100纳米。

根据本发明所述的一种双层异质结构模具的制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：

a)将硅片抛光、清洗后，作为硅衬板，在通入氧气和氮气、900～1100℃条件下，在其一面热氧化淀积一层SiO₂，获得一面带有SiO₂层的硅衬板，记为硅衬板A；

b)在硅衬板A的SiO₂层表面涂覆一层光刻胶作掩膜，并在光刻胶层开设窗口，然后浸入BOE溶液中，室温放置至窗口处暴露出硅衬板为止，取出清洗，去除光刻胶，清洗、烘干，获得SiO₂层带有腐蚀凹槽的硅衬板，记为硅衬板B；

c)向硅衬板B腐蚀凹槽中加入浓度为35～40％的KOH水溶液，在80～100℃对硅衬板B进行60～80min的湿法刻蚀，形成微米凹槽，清洗、烘干，获得带有SiO₂层及微米凹槽的硅衬板，记为硅衬板C；

d)将硅衬板C浸入BOE溶液中，室温放置至去除SiO₂层，清洗、烘干，获得带微米凹槽的硅衬板，记为硅衬板D；

e)以Al为靶材料，以硅衬板D为电极，在0.1～1Pa，在氦气惰性气体的条件下，溅射30min，在硅衬板D带微米凹槽面溅射一层Al膜，获得带Al膜的硅衬板，记为硅衬板E；

f)将硅衬板E浸入0.3mol/L磷酸水溶液的电解质中，在0℃左右，偏置电压190V条件下，以两步阳极氧化法将硅衬板E的Al膜氧化成孔间距350～500nm，孔径50～100nm的多孔状均匀有序的AAO膜(AAO膜的最终厚度取决于上述Al膜的厚度，在这里没有特殊要求)，获得表面带AAO势垒层的硅衬板，记为硅衬板F；所述AAO膜为Al₂O₃膜；

g)将硅衬板F再次浸入0.3mol/L磷酸水溶液的电解液中，继续氧化，当电路电流发生3～4次突变时，停止电解，此时电解液穿过多孔AAO膜对硅衬板表面形成SiO₂球，获得带SiO₂球的硅衬板，记为硅衬板H，根据硅原子数守恒和单位体积摩尔数，表明每生成一份厚度的SiO₂，需要消耗0.46份厚度的Si，即生成一个SiO₂球，其中SiO₂球一半凸出在外，另一半镶嵌在最终成型的硅衬板H中；

h)将将硅衬板H浸入质量分数是6％的磷酸和1.5％的铬酸混合溶液中，室温静置30min以上去除AAO膜，获得带SiO₂岛的硅衬板，记为硅衬板I；