面向仿生分级多层微纳结构的跨尺度设计优化和制备新方法

生物表层上的三维多级多层微纳结构常常具有优秀的机械、力学及光学性能，如超疏水性、自清洁性和结构色等等。这类结构的仿生设计优化和制备具有广泛的应用前景。本课题将基于生物表层多级多层微纳结构的特点进行跨尺度仿生结构的设计优化，通过集成多层膜工艺、干法深刻蚀工艺和湿化学侧向选择性腐蚀工艺开发用于制备仿生三维多级多层微纳结构的通用跨尺度微纳制造技术，解决跨尺度制造中微纳结构的耦合设计和大面积结构难以复制排列及制备高成本等难题，同时探索多物理场作用下微纳结构的多层次多界面的结构和性能的演变规律。实验研究将针对微纳制造的多种工艺的参数控制耦合问题进行工艺过程的优化，实现最优的集成工艺制造过程。本课题在跨尺度微纳结构的耦合设计及制造工艺集成策略方面有极强的创新意义，将为复杂仿生微纳结构的应用提供制造手段，同时为我国纳米制造技术的发展和应用提供新方法、新工艺和新原理。

本研究基本完成了项目计划书拟定的各项研究任务，主要在仿生微纳集成结构的设计、大面积制造方法和应用探索方面开展了深入研究，并在碳基和硅基微纳结构的集成制造方法和原理上进行了深入探索。针对生物表层的三维多级多层微纳结构的独特和优良的机械、光学和疏水等性能进行了跨尺度仿生微纳结构的设计优化，并通过集成多层膜工艺、干法深刻蚀工艺、湿化学侧向选择性腐蚀工艺和微纳米光刻等工艺开发了仿生三维多级多层微纳结构的通用跨尺度微纳制造技术，提出了针对跨尺度制造中的微纳结构的耦合设计和难以大面积结构复制排列及高成本等难题的解决方案，同时探索多物理场作用下微纳结构的多层次多界面的结构和性能的演变规律。其中，基于碳材料的碳微机电系统（C-MEMS）技术的制造原理，进行了制造过程的工艺优化和微纳集成工艺的详细研究。成功制备了具有优良特性的三维碳微纳集成结构，在碳微电极阵列上的纳米集成包括集成了碳纳米管（CNT）、氧化硅和硅氧氮纳米线及纳米皱褶结构，并对三维微纳集成结构进行了电化学表征及在传感器和超级电容应用上的原型探索，为碳纳机电系统（C-NEMS）的研究及碳微纳机电系统的应用开发提供了新的思路。另一种三维微纳制造思路是基于硅基材料的微结构刻蚀制造原理大面积制造了三维硅微结构，并在此基础上，进行纳米结构的集成研究。基于大闪蝶表面的结构色特性，深入探讨了大闪碟的鳞片的三维多尺度微纳结构特性及其光学特性之间的关系，开发了在三维硅微结构上集成纳米结构的工艺方法，分别成功集成了硅纳米结构和生长了氧化锌纳米线结构。截止2012年底，在国内外重要期刊和会议上已发表和录用的论文22篇，申请国家发明专利7项，已授权2项。本课题在连续微纳尺度结构的耦合设计及制造工艺集成策略方面有极强的创新意义，将为复杂仿生微纳结构的应用提供制造手段，同时为我国纳米制造技术的发展和应用提供了新方法、新工艺和新原理。