碳纳米管与表面微加工结合的微纳制造及红外探测阵列研究

碳纳米管以其独特的优良特性受到极大的关注和重视，被视为纳电子器件和纳传感器的基石。以碳管为功能材料，结合微加工的跨尺度制造，是实现纳器件的一种重要途径。本课题拟以实现高灵敏红外探测阵列为目标，探索利用碳管与MEMS表面微加工结合的微纳结构加工方法，研究具有垂直碳管阵列悬挂微纳结构的制备工艺，利用碳管优异的红外吸收特性，实现高红外吸收、小热容、低热导的红外探测阵列。主要研究内容包括：垂直排列CNT阵列的图形化转移方法研究，利用聚合物诱导的密度可控的CNT垂直排列方法研究，不同密度的垂直CNT阵列的红外吸收特性研究，CNT阵列结构下的牺牲层工艺方法研究，小热容、低热导的红外探测单元结构的设计，红外探测阵列的制备及测试等。最终确立碳管阵列微纳悬挂结构的制备工艺方法，建立基于碳管的红外探测阵列制备工艺流程，制备出红外探测阵列样品，为实现满足国防需求的高灵敏度、高分辨率的非制冷红外探测阵列打下基础。

本课题以实现高灵敏红外探测阵列为目标，研究碳纳米管/聚合物阵列的制备方法以及碳管/聚合物结构与MEMS表面微加工结合的微纳结构加工方法，利用碳管/聚合物阵列优异的红外吸收特性与小热容、低热导的微悬挂结构结合，基于大热膨胀系数聚合物PVC与金属双金属梁的高灵敏温度位移转换以及高灵敏集成光栅位移检测，实现高灵敏的非制冷红外探测阵列。通过填充修饰氧化铝模板，制备出长度可控的聚合物纳米柱阵列，探索与MEMS兼容的PVC微加工方法、在微结构基片上的碳管/聚合物图形化工艺、以及与碳管聚合物结构兼容的牺牲层工艺方法，制作出红外探测阵列，实现了双波长集成光栅阵列位移检测，为实现高灵敏高分辨率的非制冷红外探测阵列打下基础。主要成果包括：.（1）利用PDMS部分填充、修饰AAO模板，制备出一定深度的低表面能纳米孔模板，再注模脱模得到长度可控的大面积聚合物纳米柱锥阵列，深宽比达10:1，深度调节后的模板可重复使用。利用嵌段共聚物分散、带着CNT进入AAO纳米孔，使CNT沿孔长方向排列，去除AAO及部分聚合物，得到垂直排列CNT。.（2）探索出了与MEMS工艺兼容的大热膨胀系数聚合物PVC微结构的制作方法，通过旋涂、刻蚀和转移成功制备了PVC/Al微悬梁阵列， PVC/Al双金属微梁的温度位移灵敏度达 567 nm/K@100um，比常用MEMS双金属微梁大10倍。.（3）通过优化微梁悬挂结构、杨氏模量与双材料的厚度比，设计了低热容、小热导、高温度灵敏的红外探测结构，将温度引起的位移最大化；采用旋转方式释放双金属梁沿长度方向的热膨胀，实现了双金属微梁悬挂板的平动。.（4）采用铝牺牲层、PVC/Au双金属梁，用SU-8增强PVC与衬底的粘接性，以图形化SU-8镂空膜为模板，转移碳管/聚合物，最后腐蚀牺牲层，释放出带CNT的悬空结构，成功制备出具有较好的结构完整性、一致性的红外探测阵列。该工艺与MEMS工艺兼容，适合批量制作。测得碳管/聚合物具有很高的红外吸收特性，在热红外波段平均吸收率达92%。.（5）提出了基于双波长的集成光栅微位移及绝对位置高灵敏检测方法，利用波长相近的双波长激光，实现了远大于单波长干涉的测量范围，同时实现绝对位置测量，其最大噪声等效位移为0.2nm。结合CCD光学测量系统实现了对红外探测阵列芯片由温度引起的位移测量。.（6）发表论文20篇，其中SCI 15篇；申请发明专