微尖模板诱导可控龟裂制备纳米通道方法研究

Small size and large surface area nanochannel has unique characters, such as scale effect, steric hindrance effect, and electrical double layer overlap effects, playing an important role in biofilm ion channel analog, single molecule detection, and nano-electronics. However, the fabrication method of nanochannel is currently simple, high-cost, and low efficiency, which restricts seriously the research and application. This project skillfully combined cracking effect with nanoimprint lithography and proposed a novel way to fabricate nanochannel through inducing controlled cracking of thin polymer film using micro-tip nanoimprint mold. Through analyzing the geometric parameters of the mold, polymer properties, and controlling precision of the crack nanochannle, the controllable cracking inducing model is established. The key problems are the internal mechanism of thin film crack, polymer performance modulate, and accurately controlling of the crack channels. To solve these key problems is to achieve flexibly controlling of the crack effect. On this basis, the experimental verification and functional characterization of specific device are finished by researching on the controlled preparation process. The project intends to develop an original method for the nanochannel production with the simple, low cost, and easy-to-batch.

小尺寸、大比表面积的纳米通道具有独特的尺度、位阻、双电层重叠等效应，在生物膜离子通道模拟、单分子检测、纳电子器件等领域发挥重要作用。目前高精度、复杂纳米通道的加工方法单一、成本昂贵、生产效率低，严重阻碍了研究和应用。本项目巧妙地将材料龟裂效应和纳米压印技术相结合，提出利用微尖模板诱导聚合物材料薄膜产生可控龟裂效应制备纳米通道的新方法。该方法通过分析微尖模板几何参数、聚合物材料性能、外界环境因素对龟裂效应的影响，建立模板诱导龟裂理论模型，重点解决薄膜产生龟裂的内在机制、聚合物材料性能调控、龟裂狭缝的精确控制等关键问题，实现龟裂效应的灵活可控，在此基础上，研究纳米通道结构的可控制备工艺，完成具体功能器件实验验证和功能表征。本项目拟发展具有原创性的纳米通道加工制作新方法，具有操作简单，成本低，易于批量化等优点。

本项目提出了一种纳米微尖模板诱导、有效控制聚合物材料薄膜龟裂进程制作纳米通道的新方法，可有效调控龟裂过程，控制龟裂图形的形状、尺寸和分布，从而实现高精度、复制图形、低成本、批量化纳米通道制备。项目开展的主要研究内容和取得的成果包括：（1）建立了以有限元热力学仿真为基础的微尖模板压印诱导可控龟裂的理论分析和物理模型，获得了可控龟裂的理论分析结果。从空间微力压印诱导纳米龟裂的物理过程出发，通过热力学等效方法建立了微尖压印模板诱导可控龟裂过程的物理模型。在此基础上首先根据UV胶固化过程中的收缩分布和应力分布分析了产生可控龟裂的物理机理，获得了不同的工艺参数、微尖模板结构参数、材料参数对诱导龟裂的结构的影响和参数规律。（2）以多孔氧化铝和利用EBL制备的微尖光栅作为压印模板，完成了紫外光固化的配制、纳米龟裂模板和模板诱导可控龟裂制备纳米通道的实验制备。首先，完成了AAO模板的制备，制作了纳米孔直径为300nm的多孔氧化铝模板，纳米孔的深度大于30μm，孔的密度约为1010个/cm2，边缘的尖锐的尺度为30nm。基于EBL工艺，完成了直线型光栅微尖模板和弧形光栅微尖模板的制备，微尖的尺寸小于100nm。其次，筛选出一系列不同配比的压印胶，并研究了压印胶的旋涂、压印、抗刻蚀、表面修饰和光学性能等。最后，完成了六边形纳米龟裂通道阵列结构、直线型光栅通道结构、弧形光栅通道结构的实验制备，六边形纳米龟裂通道的线宽微30nm，深度微100nm，深宽比大于3:1。石英材质的弧形纳米通道结构和硅材质的直线型纳米通道结构，特征尺寸分别为73nm和43nm。利用反应离子刻蚀工艺，可以调控结构的深宽比，弧形纳米通道结构的深度为220nm，深宽比大于3:1。（3）基于制备的纳米通道结构，完成了纳米发电机和纳米传感器的应用探索研究。完成了纳米发电机和纳米传感器的应用探索，利用电学性能的测试，获得了发电效率大于70%的摩擦纳米发电机和灵敏度大于0.8 V/kPa的压力传感器。