[发明专利]基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法

说明书

本发明属于微纳尺度的致动器技术领域，具体为一种基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法。本发明的微纳致动器包括表面平整的石英玻璃衬底，以及形成于衬底上的二氧化钒管状结构，该二氧化钒管状结构由具有内应力梯度的二氧化钒薄膜在腐蚀液中释放应力卷曲而得，包括向上卷曲与向下卷曲两种结构；其中，具有内应力梯度的二氧化钒薄膜由两种不同衬底温度下溅射形成。本发明还可以通过调节衬底温度的大小控制卷曲的方向。不同卷曲方向的二氧化钒三维管状结构在温度或光触发相变后具有不同的致动方向和形变量。这种微纳致动器，制备方法简单，成本较低，可大规模生产，对在动态器件中具有广泛应用意义。

技术领域

本发明属于微纳尺度致动器技术领域，具体涉及一种基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法。

背景技术

平面智能薄膜材料是当前研究的热点，其受到外界刺激产生特定响应的能力使它在不同领域都具有巨大的应用潜力。二氧化钒就是其中的一员，在外界条件如热、光、电、力的刺激下，二氧化钒会发生由绝缘相到金属相的转变，并且晶格会从单斜相向四方相变化，相变窗口在飞秒级别。由于内在晶格、电子结构的转变，二氧化发你会伴随很多外部性质的改变。例如，二氧化钒相变后，电阻率可降低3-5个数量级；在绝缘相时，二氧化钒具有较高的红外透射率（50％），但金属相在红外区域几乎不透明（30％）；同时，相变的产生还会二氧化钒晶格在c轴产生约1%的应变变化。然而，这些性质中的应变变化往往在平面状态中难以表现出了，因此将平面二氧化钒薄膜三维构筑有利于扩宽二氧化钒薄膜的应用宽度。

不仅对于二氧化钒，基于微纳尺度智能材料薄膜的三维结构往往会产生平面材料所不具备的宏观特性，如“超材料”，三维的光电探测器和三维柔性器件等。因此，实现平面纳米薄膜材料的三维构筑成为研究者们关注的焦点。然而，细微观下的平面薄膜向三维结构的转变存在着几个难点，首先是如何在微纳尺度下提供二维向三维转变的驱动力，即三维构筑的小型化；其次，如何实现单个三维微结构的大规模阵列，即三维结构的集成度；最后，如何完成特定三维结构的构筑，即三维结构的重构性。针对这些难点，研究者们提出了一种基于应力控制的折叠方法，成功实现了二维薄膜向三维微结构的转变。这种卷曲构筑的方法被称为“折纸术”，它可以通过简单的调控薄膜沉积参数的方法使二维超薄纳米薄膜产生内应力梯度，并在内应力释放后原位卷曲为三维结构。解决了驱动力的同时，这个“力”的作用范围也覆盖了整片薄膜，因而可以通过区域性的释放内应力实现结构的阵列。同时，这种方法可以结合不同的材料，如聚合物，金属以及氧化物等，还可以结合不同的衬底，如金属，硅片，透明石英，玻璃等。并可通过对图形化的二维薄膜进行“折纸”，使卷曲的三维结构呈现如管子和弹簧等多种几何形状。基于优秀的“折纸术”，与智能材料相结合，得益于卷曲纳米薄膜较高的能量密度，以及对应变的敏感性和“薄”带来的柔软性，这样的智能材料三维卷曲结构受外界刺激后将具有极快的响应速度和相应的大幅度形变。这就使“折纸术”制备的智能微卷曲结构具有非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种柔软性好、制动能力强的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器及其制备方法。

本发明通过控制沉积参数对二氧化钒薄膜内应力进行调控，实现二氧化钒薄膜的卷曲方向控制，并针对不同的卷曲方向，制备不同致动行为的微纳致动器。

本发明提供的基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器，具有三维管状结构，其包括：

衬底，一种表面平整的石英玻璃；

形成于衬底表面的二氧化钒管状结构，该二氧化钒管状结构由具有内应力梯度的二氧化钒薄膜在腐蚀液中释放应力卷曲而得，包括向上卷曲与向下卷曲两种结构；其中，单个管状结构长度为200μm±2μm，管径为60-80μm；

其中，所述具有内应力梯度的二氧化钒薄膜由两种不同衬底温度下溅射形成，总厚度为100nm±5nm。

本发明还提供上述基于可控卷曲二氧化钒薄膜的微纳致动器的制备方法，具体步骤如下：