基于氧等离子体去胶引入微/纳材料的纳米森林制造技术及器件应用基础研究

本项目原创性地提出了一种基于氧等离子体干法去胶引入微/纳材料的纳米森林制备工艺方法，可以在无掩模、无光刻步骤的前提下，方便、快速、批量地制备大面积的尺寸可调的纳米柱/针森林结构。利用纳米柱森林所具有的表面增强拉曼散射效应，将其与微流体器件的制备工艺相结合，实现了新型表面增强拉曼散射微流控检测器件的制备。该器件可以实现单一样品或多种样品的同时在片实时高效的检测。该新型微检测器件的研究，突破了常规开放式活性基底在测试重复性方面的限制，可以将一致性可以提高5-10倍，且检测所耗费的时间可以大大缩短，从而开辟了一条结构紧凑、工艺简单、性能高、成本低、快速工作的MEMS生化传感器件的新道路。另外，基于氧等离子体干法去胶引入微/纳材料这一现象，可制备具有毛细效应的周期性纳米纤维阵列结构，实现纳米颗粒甚至是生化分子的捕捉、修饰与绑定平台。这两种新型器件的提出与建立，是MEMS器件方面的一项重要发展。

电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等“自上而下（Top-down）”的先进技术以及化学合成等“自下而上（Bottom-up）”的生长方法可以用来制备纳米柱/针森林结构。然而这些加工方法有着设备昂贵、串行加工、工艺复杂、一致性差等缺点，无法低成本、方便、批量地制备纳米森林结构。.我们发现了基于氧等离子体去胶（Oxygen plasma treating on photoresist, OPTOP）引入微/纳米结构的现象，研究了其机理，发现其不受限于硅衬底和光刻胶结构体系，也适用于金属、玻璃衬底和有机物结构体系。据此发展出一种新的纳米森林加工技术，同时得到了实施该技术的三个关键因素：氧等离子体、位于衬底上的有机物基座和暴露在氧等离子体气氛中的衬底，为该技术在半导体、金属、玻璃甚至柔性等衬底上的应用提供了理论基础，拓宽了其在生化检测、光学传感等领域的应用范围。.基于上述机理，我们开发了新型二氧化硅纳米结构生长技术，实现了大面积零维二氧化硅纳米点和一维二氧化硅纳米线在不同结构、材料表面的可控生长。所得零维二氧化硅纳米点结构直径约30 nm，一维二氧化硅纳米线结构直径约 50 nm。项目组利用氧气为主要气氛的反应离子刻蚀（RIE）对有机物基座进行加工，在得到初始零维二氧化硅纳米结构后改变刻蚀气体、流量、压强等条件，以零维二氧化硅纳米结构为掩模刻蚀硅衬底，得到不同形貌不同密度的硅纳米柱结构。利用此方法能够进一步简化制备纳米柱森林结构工艺的复杂度，同时可针对不同器件参数及应用要求加工得到密度及形貌可控的多样性硅材料纳米结构。项目组利用该多样性硅纳米柱森林结构得到了对羟基苯乙酮、对羟基苯甲酸和对氨基苯乙酮三种毒性有机化学品的SERS谱线，在食品安全和农残检测领域进行了初步探索。.基于常规微加工并行工艺设备的硅纳米柱森林结构加工技术方法，我们开发了表面增强拉曼散射（Surface enhanced Raman scattering，SERS）微流控检测器件的制备工艺，将纳米柱森林结构与微流体器件制备技术相结合，实现了SERS微流控检测器件的制造，增强因子达106量级，均一性远好于开放性SERS活性基底。.我们将纳米纤维结构引入MEMS红外传感领域和湿度传感领域，实现了红外吸收率可达96%的新型MEMS红外传感器件和集成性更好、输出电容更高的MEMS湿度传感器件。