边界效应控制微纳嵌套褶皱形貌工艺研究

摘要

传统微纳制造多采用光刻，刻蚀等加工微纳结构，这些加工方法一般成本较高，工艺复杂，难以形成规模化制备。薄膜/基底结构受到压缩应力时会发生失稳，当应变量接近临界值时结构会发生屈曲，在薄膜的表面形成褶皱。研究人员通过控制工艺参数，能够改变褶皱的波长幅值等形貌参数，使褶皱达到微纳结构。这种工艺一般采用简单的物理变形，得到微纳结构。具有结构可控，工艺成本较低，能够大规模制备等特点。在仿生研究，柔性电子等领域广泛应用。
　　本文采用两种方式产生应力应变来制备形貌可控的纳米尺度褶皱：预拉伸法和热膨胀法。将嵌套褶皱和边界效应理论相结合，研究分析规则嵌套褶皱的形貌以及尺寸参数。为微纳加工工艺提供了新的手段和思路。具体研究内容包括：
　　首先，采用预拉伸产生应力应变的方法，单向拉伸聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）弹性基底，并在基底表面通过等离子氧化生成一层硬质的氧化薄膜，释放应力得到了微纳褶皱结构。采用这种工艺方式得到的褶皱为有序正弦波结构，且方向垂直于单向拉伸方向。通过改变工艺参数中的氧化时间和单向拉伸量，研究了褶皱参数中的波长和幅值与其关系。
　　其次，利用热膨胀方式产生应力应变，以PDMS材料作为弹性基底，磁控溅射工艺在弹性基底上沉积一层铜膜。溅射过程中采用硅掩膜板控制铜膜的沉积区域，在基底表面得到窄带条纹形貌的铜膜。冷却释放应力后得到了分层嵌套褶皱，且嵌套褶皱分为两层，包含形貌呈规则正弦波的微米褶皱和形貌不规则的迷宫型纳米褶皱。
　　最后，分析分层嵌套褶皱的生成机理。采用边界效应解释嵌套褶皱中微米尺度褶皱的形貌呈规则正弦波型。通过增加硅掩膜板的宽度，来增加边界的宽度，研究褶皱形貌与边界宽度的关系。改变热膨胀工艺中溅射镀膜的厚度，研究薄膜厚度与分层嵌套褶皱各层尺寸参数中波长和幅值的关系。

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1绪论

1.1 课题来源和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及方法

2微纳褶皱预拉伸制备工艺

2.1 引言

2.2 薄膜褶皱生成机理

2.3 工艺方法简介

2.4 工艺参数分析

2.5 本章小结

3规则嵌套微纳褶皱制备工艺

3.1 引言

3.2 分层嵌套褶皱简介

3.3 工艺方法简介

3.4 工艺特色讨论

3.5 本章小结

4规则嵌套微纳褶皱生成机理及工艺参数分析

4.1 引言

4.2 规则嵌套微纳褶皱生成机理

4.3 规则嵌套微纳褶皱工艺参数分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献