基于表面纳米褶皱的微纳分级结构仿生制造工艺研究

许多生物表面的微纳分级结构具有优异的功能，这类结构的仿生制造有着广阔的应用前景，但也对目前的微纳制造技术提出了很大的挑战。近年来，大量的研究成果证实了覆盖在弹性基底表面的刚性薄膜在压缩应力作用下可以自发生成具有多样纹理的褶皱，这为微纳分级结构的仿生制造提供了新的思路。因此，本课题提出将薄膜褶皱和微结构结合，通过在微结构表面生成纳米褶皱来制造微纳分级结构。这种制造方法由于不需要昂贵的设备，并且可以获得较高的效率，所以可用于低成本、大批量的仿生制造。为此，本课题将开展微结构表面纳米褶皱的生成机理、制作工艺及其优化、仿生微纳分级结构制作实验等研究工作，解决基于表面纳米褶皱的微纳分级结构制造工艺中的理论与关键技术问题，为解释和深入认识微结构表面纳米褶皱的生成机理提供理论基础，为典型仿生微纳分级结构的低成本、大批量制造提供新方法。

覆盖在弹性基底表面的刚性薄膜在压缩应力作用下会发生屈曲形成褶皱。这一现象通常被认为是影响结构稳定性和导致失效的不利因素。近年来，研究者发现利用此现象可以在薄膜表面生成纹理多样的褶皱，并提出基于这一现象来制造表面微纳结构。本课题提出将薄膜褶皱和微结构结合，通过在微结构表面生成纳米褶皱来制造微纳分级结构。这一方法不需要昂贵的设备，具有较高的效率，可用于低成本制造。制备出的褶皱结构，可以应用在表面增强拉曼散射基底、太阳能电池等。. 利用有限元软件ABAQUS进行模拟，通过线性屈曲模态分析和非线性变形分析，研究了薄膜/基底结构的屈曲问题，分析了微结构表面纳米褶皱的生成机理，揭示褶皱纹理、临界应变和临界波长受到薄膜/基底的初始几何参数（基底初始厚度、薄膜初始厚度、微结构初始尺寸等）、材料参数（杨氏模量、泊松比等）和外加载荷（预应变、温度等）影响的规律。. 采用SU-8负性光刻胶和AZ9260正性光刻胶，分别制备出直径65μm的圆柱阵列和直径20μm的半球阵列；以此为基底，通过磁控溅射镀一层厚度为10nm到1μm的钛膜；再将样品放置在还原性气氛中按特定温度曲线在400到900摄氏度的范围内进行热解，使光刻胶微结构受热分解成碳并发生收缩，由此获得具有表面纳米褶皱的微纳分级结构。此外，实验证明金属薄膜褶皱的产生是发生在光刻胶热解成碳的收缩过程中，薄膜和基底保持了良好粘附状态。利用傅立叶变换方法和原子力显微镜测量，分别定量表征了褶皱的宽度和深度信息；并研究了不同钛膜厚度和热解温度对褶皱尺寸参数的影响。. 利用5nm厚度的钛膜产生的纳米褶皱为模版，在褶皱表面镀一层厚度为50nm到600nm的银膜，作为SERS基底。以罗丹明6G（R6G）作为探针分子，进行拉曼光谱测试，发现其拉曼光谱峰值明显。对比不同厚度银膜下的褶皱结构，发现200nm厚度银膜的SERS基底具有最好的增强效果：与银膜平面基底对比，随意选取的15个测量点的平均增强因子达一百万倍，最高峰值处的标准差为31.3%，该基底能检测R6G的最低浓度为10-9mol/L。同时，基于褶皱的SERS基底，可以用于三聚氰胺的检测，可以检测出浓度为0.2mg/L的三聚氰胺。