基于固态聚合物电解质的约束电解微加工技术基础研究

The fabrication of large area micro/nanostructures on hard materials such as semiconductor and metal is an important branch in the field of micro/nanomanufacturing. For the problem that the current micro/nanomachining methods cannot meet the requirements of large area, high efficiency and low cost in the machining of three-dimensional (3D) micro/nanostructures on various hard materials, this project proposes a micromachining approach named confined electrochemical micromachining (CEMM) technique using solid-state polymer electrolyte as a novel patterned template. The CEMM technique is based upon the idea of confined electrochemical micromachining, and the machining objects in this project are the microstructure arrays. This project focuses on the fundamental theories and the key techniques of the CEMM: (1) the preparation of high strength solid-state polymer electrolyte template with nanometer pore structure, (2) the coupling model of the electrochemical reaction and the diffusion and mass transfer process in the micro-contact area, (3) the control of machining localization and the process optimization system, and carries out research on the chemical mechanism and process principle of the CEMM. The component materials and the preparation process of the solid-state polymer electrolyte with nanometer pore structure are set up. The transport mechanism of the electrolytic product in the nanoscale porous medium is ascertained. The coupling rule of the electrochemical reaction and the diffusion process in the micro-contact area between the template and substrate is revealed. The key issues such as the filtering of the electrolyte system, the optimization of reaction condition, and the control of machining localization are solved. Finally, a novel and simple micromachining technique which is suitable for replication of large area complex 3D micro/nanostructures on a variety of materials can be formed in this project.

半导体和金属等硬质材料上的大面积微纳米结构制作是微纳制造领域的一个重要分支。针对当前微纳加工方法无法在多种硬质材料上进行三维微纳结构大面积、高效率和低成本加工的问题，本项目基于约束电解的思路，以微结构阵列为对象，提出使用固态聚合物电解质作为新型模板的约束电解微加工技术，围绕其基础理论与关键技术：(1) 高强度纳米孔隙固态聚合物电解质模板制备；(2) 微接触区电化学反应与扩散传质过程耦合模型；(3) 加工定域性控制及其工艺优化体系，从化学机理和工艺原理两方面开展研究，确立纳米孔隙固态聚合物电解质材料及其制备工艺，探明纳米尺度多孔介质下的产物输运机理，揭示模板-基底微接触区电化学反应与传质过程的耦合规律，解决电解液体系筛选、反应条件优化以及加工定域性控制等关键问题，完成在金属和半导体等硬质材料上微结构阵列的加工验证，形成一套工艺简单、适合于多种材料的大面积复杂三维微纳米结构复制加工新工艺。

本项目的研究背景是针对当前微纳加工方法无法在金属和半导体等硬质材料上进行大面积复杂三维微纳结构高效率和低成本加工的问题，而利用电化学原理进行微纳结构的加工具有材料转移尺度小、材料适用范围广、无切削力和残余应力、与零件材料硬度无关、工作条件温和、加工成本低等优点。因此本项目基于约束电解的思路，以微结构阵列为对象，提出了使用固态聚合物电解质作为新型模板的约束电解微加工技术，主要研究内容包括：1）高强度固态聚合物电解质凝胶模板制备；2）约束电解微加工系统研制；3）约束电解过程电化学反应动力学与加工定域性研究；4）约束电解微加工实验研究。本项目从化学机理、装备技术和工艺原理三方面对约束电解微加工技术开展研究，形成了一套工艺简单、适合于多种材料的大面积复杂三维微纳米结构复制加工新工艺，取得的重要研究结果和关键数据有：.1）建立了适用于约束电解加工的高强度聚丙烯酰胺凝胶模板制备工艺，通过分析影响凝胶综合性能的各类因素，选择了质量配比为16%单体+0.6%交联剂所制备的聚丙烯酰胺凝胶作为加工模板，其弹性模量为455KPa；.2）针对约束电解微加工技术的特点，研制了一套完整的约束电解微加工系统。研究解决了模板与基底间的大行程微位移进给和大面积柔性调平等问题，所提出的两级放大大行程微定位平台位移放大比达到40左右。.3）研究了约束电解微加工过程的电化学反应动力学特性，建立了定量预测加工电流密度动态变化的数学模型，揭示了微区电化学反应以及产物传质扩散过程的耦合规律；研究了凝胶模板和加工电源等因素对加工结果的影响，对约束电解微加工定域性控制进行了分析和研究，完成了工艺优化。.4）根据工艺优化结果，完成了镍表面大面积三维微纳结构以及硅微透镜阵列的复制加工验证，镍表面微结构尺寸相对于模板误差为1.12%，硅微透镜阵列直径和矢高的加工误差分别为5.28%和4.56%，表面粗糙度为8nm。