空间微力压印诱导龟裂制备纳米结构的方法研究

The nanostructure fabrication methods are the original power to push the development of nanoscience and its applications. A new method to fabricate nanostructure with high resolution, high aspect ratio fast and low cost is proposed in this project. It uses the new idea that the spacial micro-force to guide the nanocrack of the ultraviolet material. Due to the nanocrack is not limited by the law of the diffractive limit, the naoncrack has the small critical size and high aspect ratio. And with the benefit that the distribution of the nanocrack is controlled by the crack induced template, the nanostructure with high accuracy and large area is fabricate fast. Firstly, the inner mechanism of the spacial micro-force induced crack is analyzed and the parameters influences are established in theory. Based on this, study the control method of the proposed method, and then establish the nanofabrication technology of the spacial micro-force induced crack. At last, use the method of spacial micro-force induced crack to carry out the nanostructures fabrication of optical sensors. Complete the experimental demonstration of the method after the performance testing of the devices. With the method of spacial micro-force induced crack, the nanostructure can be obtained with a guide template with lower resolution and lower aspect ratio, and with its benefit of fast and large area, it is expected to be a nanostructure fabrication method to complement the conventional lithography, nano-imprinting etc. The research will lay the technical foundation to new kinds of nanodevices.

纳米结构制备方法是推进纳米科学与应用的原动力，本项目提出了一种可高效、低成本制备高分辨、高深宽比纳米结构的新方法。该方法采用空间微力诱导UV胶产生可控的纳米龟裂的新思路，利用纳米龟裂不受衍射极限限制、特征尺寸小、深宽比大的特点，通过龟裂诱导模板进行纳米结构的分布控制，实现高精度纳米结构的快速、大面积制备。首先从理论上深入分析空间微力诱导龟裂的内在机理，确定各参数影响规律，在此基础上研究该技术的控制方法，建立纳米结构的可控制备工艺，然后采用空间微力诱导龟裂方法，开展光学传感功能器件的纳米结构制备与性能表征，完成实验验证。该方法通过低分辨率、小深宽比的龟裂诱导模板即可获得高分辨率、高深宽比的纳米结构，同时拥有快速、大面积制备的优点，有望形成一种与传统光刻、纳米压印等互补的纳米结构加工方法，为新型纳米器件的研发奠定技术基础。

纳米结构制备方法是推进纳米科学与应用的原动力，本项目提出了一种基于压印诱导可控龟裂制备高深宽比纳米结构的新方法，该方法基于模板的微重力进行UV固化胶压印，在固化过程中，UV胶根据压印模板图案发生可控龟裂，形成结构特征尺寸小、深宽比高的纳米结构。项目开展的主要研究内容和取得的成果包括：（1）建立了以有限元热力学仿真为基础的压印诱导纳米龟裂的物理分析模型，获得了可控纳米龟裂的理论分析结果。从空间微力压印诱导纳米龟裂的物理过程出发，通过热力学等效方法建立了纳米结构压印诱导过程的物理模型。在此基础上首先根据UV胶固化过程中的收缩分布和应力分布分析了产生可控龟裂的物理机理，获得了不同的工艺参数、结构参数、材料参数对诱导龟裂的结构的影响和参数规律。（2）完成了压印诱导纳米龟裂结构所涉及的龟裂UV胶、纳米龟裂诱导模板和纳米龟裂结构的实验制备。通过研究不同单体在不同配比下UV胶的硬度和加工特性，获得了适合纳米可控龟裂的UV胶的单体组成及配比；然后基于EBL设备，研究了其制备纳米结构的工艺情况，完成了基于弧线型纳米光栅和直线型纳米光栅模板的实验制备；最后以压印诱导模板自身的重力为空间微力，采用所制备的UV胶和模板，开展了六边形纳米龟裂狭缝整列结构、亚百纳米的直线光栅结构、弧形光栅结构的实验制备，均获得了较好的实验结果，其中六边形狭缝龟裂所产生的龟裂狭缝线宽达到30nm，深度达到100nm，深宽比达到3.3:1。（3）开展了以所制备的压印诱导龟裂结构在表面增强拉曼散射传感中的应用探索。将所制备的龟裂诱导纳米结构金属化后，利用便携式拉曼光谱系统对其拉曼增强特性进行了实验测试。以罗丹明作为标定试剂，所获得的拉曼增强因子达到2.38×10^7，这一结果表明通过纳米压印诱导可控龟裂制备的纳米结构可应用与高灵敏度生化传感。