电毛细力驱动的纳米结构压印成形及其流变和界面行为研究

纳米压印是一种高效、高分辨率、高可控性的任意图型成形方法。但随着结构特征趋近数十或数纳米，保证待成形材料在模版结构腔内充分填充所需的压力将剧烈增加，固化成形的聚合物与模版的脱离亦变得十分困难。项目提出一种电毛细力驱动的纳米压印成形方法：外电场在光固化型有机电解质与模版的界面处将诱发双电层，从而在有机电解质内部产生毛细提升力，驱动有机电解质的填充。为解决脱模问题，项目提出一种降低聚合物粘附力的方法(有别于常规降低模版粘附力的方法)：在有机物电解质内溶入硅酮分子，其在红外激光的照射下将析出到有机物与模版的界面，降低固化后聚合物结构表面对模版的粘附。项目将进行纳米空隙电毛细力产生机理、电场对有机电解质的物理和化学作用、有机物在模版纳米结构腔体中的流变行为、低表面能硅酮分子析出过程与界面特性等方面的研究，并完成光固化型有机电解质的制备方法研究。项目总目标旨在发展一种原创性的纳米结构压印成形工艺。

纳米压印是一种高效、高分辨率、高可控性的任意图型成形方法。随着结构特征趋近数十或数纳米，成形材料在模版结构腔内充分填充所需的压力将剧烈增加，固化成形的聚合物与模版的脱离变得十分困难。项目提出了一种电毛细力驱动的纳米压印成形方法：外电场在光固化型有机电解质与模版的界面处将诱发双电层，从而在界面处产生毛细提升力，驱动有机电解质的填充。为解决脱模问题，项目提出一种降低聚合物粘附力的方法：在特定场作用下使模板介电层中形成受限净电荷，并在聚合结构固化时使其表面形成同性的冻结净电荷，两层同性电荷的互斥作用可降低聚合物与模板壁面的粘附力。项目进行了纳米空隙电毛细力产生机理、电场对有机电解质的物理和化学作用、有机物在模版纳米结构腔体中的流变行为、受限电荷与冻结电荷的产生和运动规律等方面的研究，并完成光固化型有机电解质的制备方法研究。项目总目标旨在发展一种原创性的纳米结构压印成形工艺。. 在基础理论方面，建立了电毛细力驱动填充的多物理场耦合模型和计算方法。该方法采用电动流体力学理论描述电场对聚合物和空气的作用，建立基于相场的两相流连续介质电动力学方程，并引入尺度和界面效应，实现对电毛细力驱动纳米结构成形过程的精确仿真。其模型和计算结果获得的结论与实验观察吻合，为工艺实验的设计提供了重要依据。为解决脱模问题，基于电荷受限及库仑力原理，提出了一种电场辅助的脱模方法。该方法利用特定电场作用下，模板表面形成的受限电荷与聚合物表面形成的冻结电荷间同性互斥作用降低了脱模过程的粘连阻力。. 在工艺开发方面，提出了一种电毛细力驱动的纳米结构压印成形方法。该方法摒弃了常规压印中的机械压力，利用液态聚合物材料在外电场作用下产生的电润湿力（介电泳润湿）实现了模板结构的快速均匀填充。利用该方法，分别实现了特征尺度20nm以下和深宽比10:1以上的纳米结构的复制，与传统纳米压印工艺进行新旧结合首次提出了大面积非球面微透镜的制造方法，在微加工方面提出了一种特殊微结构（高度可以任意调制的微柱阵列）的加工方法，扩展了传统微制造的加工能力。. 在工程应用方面，研制了大面积晶圆级纳米结构渐进式气动压印机。基于大面积柔性透明导电模版的制造，搭建了光子晶体纳米结构大面积制造的设备原型，将纳米结构电驱动填充成形与透明导电柔性模版的几何约束相结合，实现了4英寸二维平面光子晶体纳米结构的大面积制造。