基于纳米薄膜的卷曲微弹簧研究

摘要

微纳结构在物理、化学、微电子学以及传感等领域有着巨大的应用前景，从而受到广大科学工作者的关注。在过去十年以来，卷曲纳米技术常被用于制备新型三维微纳结构。卷曲纳米技术结合了“自下而上”以及“自上而下”两种制备方法，将具有内应力的纳米薄膜通从衬底上剥离，使其卷曲成为三维微纳结构。本论文主要介绍利用卷曲纳米技术制备新型的三维卷曲微结构以及对其性能进行研究。
　　在本文中，通过在沉积金属薄膜过程中引入倾斜生长法，使纳米薄膜具有各向异性的性质，从而利用卷曲纳米技术首次制备了Ti金属微弹簧。通过对工艺参数调节，可以精确地控制Ti金属微弹簧的几何参数。Ti金属微弹簧的半径随着薄膜厚度的增加而增加，而微弹簧的手性以及螺旋角等参数则是由薄膜条带与最优卷曲方向之间的夹角所决定。
　　Ti金属微弹簧在流动的液体中受到粘滞力的作用而伸长，据此，我们设计了基于Ti金属微弹簧的液体流速传感器，并定量地分析伸长量与流速的关系。实验结果还表明，Ti金属微弹簧具备相当可靠的超弹性行为。
　　此外，利用卷曲纳米技术首次制备了聚丙烯酸-聚乙烯醇(PVA-PAA)/金属卷曲微弹簧以及微管结构。该三维卷曲微结构具有刺激-响应行为:当外界的液体环境发生变化时，PVA-PAA的体积膨胀或者收缩，从而影响PVA-PAA/金属双层膜内部的应力状态，最终导致微弹簧发生卷曲或展开。通过计算发现，与微管结构相比，在PVA-PAA/金属双层膜发生卷曲的过程中，微弹簧结构的PVA-PAA薄膜的应变值小于前者，这是由于在弹簧结构中，部分应变可以沿着垂直于卷曲的方向释放。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 卷曲纳米技术

1．2．1 纳米簿膜的制备

1．2．2 纳米薄膜的图形化

1．2．3 牺牲层的选择性刻蚀

1．3 内应力来源

1．3．1 单晶半导体薄膜的卷曲

1．3．2 多晶／非晶薄膜的卷曲

1．3．3 高分子薄膜的卷曲

1．4 薄膜卷曲微结构的应用

1．4．1 微马达

1．4．2 光学谐振腔

1．4．3 细胞培养支架

1．4．4 其他应用

1．5 微纳弹簧的研究

1．5．1 “Bottom-Up”制备微纳弹簧

1．5．2 “Top-Down”制备微纳弹簧

1．5．3 卷曲纳米技术制备微弹簧

1．6 本论文的主要工作

第二章 金属微弹簧的可控制备

2．1 引言

2．2 制备流程

2．2．1 PMMA牺牲层的制备

2．2．2 Ti纳米薄膜的制备及其图形化

2．2．3 Ti纳米薄膜的释放

2．3 纳米薄膜的各向异性

2．3．1 倾斜生长法

2．3．2 Ti纳米薄膜备向异性的验证

2．4 金属微弹簧几何参数的控制

2．5 金属微弹簧的超临界干燥

2．6 本章小结

第三章 基于Ti金属微弹簧的液体流速传感器

3．1 引言

3．2 液体流速传感器的结构与灵敏度

3．2．1 Ti金属微弹簧形貌分析

3．2．2 Ti金属微弹簧力学性质分析

3．2．3 液体流速传感器灵敏度

3．3 Ti金属微弹簧超弹性

3．4 本章小结

第四章 刺激-响应卷曲微弹簧的制备及其性能研究

4．1 引言

4．2 刺激-响应卷曲微弹簧的制备

4．2．1 PVA-PAA薄膜的制备

4．2．2 金属薄膜的制备

4．2．3 刻蚀窗口的制作

4．2．4 薄膜的释放

4．3 PVA-PAA薄膜形貌分析

4．4 PVA-PAA／金属卷曲微结构

4．5 刺激-响应行为

4．5．1 PVA-PAA／金属微弹簧

4．5．2 PVA-PAA／金属微管

4．5．3 PVA-PAA薄膜应变分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果

致谢

声明