新型纳米结构的静电场诱导成形原理与工艺研究

本申请提出进行纳米结构的静电诱导成形原理与工艺研究，旨在建立薄膜材料在静电力、表面张力、重力和范德华力等多场力作用下形成微纳结构的理论模型；研究成形工艺中模板制作、表面处理和定位控制等关键技术及参数的优化。重点探索三维曲面基底纳米结构和中空纳米结构的静电诱导成形原理和新方法。本申请的实施将为纳米制造领域增添新原理和新方法，为今后进一步研制实用的新型纳米结构、器件或系统奠定良好的基础。

本项目针对一种新型的微纳制造方法即静电场诱导下微纳结构的加工方法进行了研究。主要研究内容涉及曲面上的微纳结构和平面上的中空微纳结构一步加工理论和工艺过程研究。理论层面上，我们主要在总结和分析前人对静电诱导微纳加工的分析理论和数值计算的优缺点基础上，提出严格的有限元数值方法来对多场力耦合作用下静电诱导微纳加工过程进行了分析。该方法没有把加工过程中各种外场力包括静电场力、表面张力以及毛细力等分开独立考虑，而是在模拟中实时考虑各种外场力的耦合效应对微纳结构动态成型的影响，因此仿真的结果与实际情况吻合度非常高。我们在分析了静电诱导加工中各种参数的影响之后，找到了该方法的加工极限理论上可达24nm，而对中空微纳结构的加工极限也可达到200nm，这些仿真分析结果对实验和该方法的具体应用有着极强的指导意义。在实验层面上，主要工作体现在三维曲面的微纳加工、二维平面大面积上纳米结构加工和中空微纳结构加工三个方面。三维曲面的微纳加工方面，首先采用毛细力光刻技术，实现了在三维曲面上最小200纳米结构的加工，并且发现加工得到的结构相对模板其表面上的缺陷和瑕疵相对可以大幅度得到改善；其次采用激光直写技术，在大口径基片上实现了溶胶凝胶微结构的加工，加工精度可控制在50nm以下，并且该方法理论上还可以实现在口径大至200mm以上尺寸基片上的微结构的加工。而在二维平面大面积上纳米结构的加工方面，采用毛细力光刻方法，成功地在大尺寸基片上实现了抗反射纳米结构的制备，所得的结构展现了良好的抗反射特性和疏水性能，在光学表面和自清洁表面有潜在的应用价值。在中空微纳结构的加工方面，目前得到了包括圆形微管道，中空微透镜，微胶囊等各种中空微结构，其共同的特点是可以通过一步加工过程制备得到，而无需向常规的微纳加工方法那样需要多步才能实现，这些结构在微纳光学以及微流体方面有着潜在的用途。这些结果为纳米制造的技术家族增添了新的方法和技术选择。