基于柔性衬底的微纳结构图形复制技术及其应用

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柔性衬底微纳结构尤其是聚合物基底结构,有着良好的物理和化学性能,相比硅基材料有着更好的生物兼容性、电绝缘性和热隔离性,因此被广泛应用到光学、电子、生物和医疗等领域。如何低成本、简单工艺实现柔性衬底上微纳结构的复制是柔性衬底器件发展和应用的基础和关键。本论文以柔性衬底材料为研究对象,围绕基于表面能的粘附功加工以及基于粘弹性的动态刻划加工,结合传统和非传统的微纳加工方法,开展了转印技术、逆热键合技术、柔性逆软紫外浇铸技术以及动态纳米刻划技术的研究,仿真和应用的研究,如太阳能电池电极制作、可控纳米通道制作等工作。论文的主要研究内容包括:(1)基于粘附功的微纳加工机理研究,分析液体在固体上的润湿性,通过测量接触角和液体表面张力,可计算出固液界面粘附功和固固界面粘附功,开展转印技术及其应用研究,对流程中涉及到的casting、stamping和printing等工艺进行仿真和实验研究,优化工艺参数,并应用于Ag电极的制备。(2)利用逆热键合技术制作纳米通道,将基于粘附功差异获得的自支撑SU-8图形结构作为键合层,从而改变以往热键和技术中使用聚合物结构做基底的方法,解决了封装强度不够的难题和通道的尺寸精确控制问题。(3)提出柔性逆紫外浇铸技术制作高深宽比聚合物结构,基于粘附功差异和柔性材料使用解决了因接触面积大造成结合力大从而无法脱模的难题。使用PUA作为基底材料,利用C=C双键的转换程度表征PUA的固化率,解决高深宽比聚合物结构的倒伏现象,实现了高密度、高深宽比纳米结构图形的覆辙结构亚波长光栅的研制,成功制作出可见光波段的亚波长光栅结构,设计并实验验证了抑反射效果,并验证了亚波长结构的表面增强拉曼散射效应。(4)对动态纳米刻划(DNI)技术在柔性基底上能够大面积连续性的刻划微纳图形结构进行了理论和实验的验证,从微观角度分析DNI过程,建立了基于不同基底材料的DNI仿真分析模型,探讨了DNI加工深度对材料属性以及温度、速度和压力的依赖性,搭建了DNI实验设备,建立了速度、压力和温度控制系统,验证了参数之间的关系。成功将DNI应用到亚波长光栅结构、纳米通道结构的制作上。
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