CN106680901B - 三维有序多孔微结构制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明三维有序多孔微结构制造方法，主要于一基板表面沉积并自组装形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构；接着，将充填材料充填于孔洞结构的缝隙，待充填材料硬化定型后将粒子移除，即可完成连续性佳、高再现性的三维有序多孔微结构。

Description

三维有序多孔微结构制造方法
技术领域
本发明有关一种三维有序多孔微结构制造技术，旨在提供一种可有效缩短加工时间，且所完成的三维有序多孔微结构具有连续性佳、高再现性等特性的三维有序多孔微结构制造方法。
背景技术
多孔性材料中的孔洞若其孔径接近光波长且若具有高度的排列秩序则该多孔洞材质拥有特殊且高实用性的光学性质，可广泛应用于光催化、生物载体、吸附、过滤、绝缘、半导体以及微量感应等领域。
有序多孔微结构由于具有特定的物理结构，因此可使光波在物质中的电磁特性加以改变，可使得电磁波在此具有高度排列秩序的材料中的行为将有如电子在晶体中般可被介质的空间结构、排列周期、结构形式以及介电常数所控制，因此不需要改变介质本身的化学结构，仅需在介质的波长尺度以及光子能隙进行设计便可制造出具有不同光特性的产物，此种新式的人工晶体称为光子晶体(photonic crystal)，被视为非常具有潜力的新一代光电材料。
有序多孔微结构的基本架构为在一维、二维、或三维上具有周期性排列的介质所组成，其中一维的架构即是一般所谓的光学多层膜，它被广泛用在光学镜片上，由周期排列的多层介质膜造成一维的光子能隙，使某些波段的光子无法穿越，达成高效率的反射。具有二维、三维的周期性排列结构则是目前最受到重视的有序多孔微结构。
已知，能够以自组装模式制造三维有序多孔微结构，其主要采用均一粒径的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化硅等将粒子利用自然、离心、真空抽气过滤法等方式将粒子于一基板上自组装形成孔洞结构，再以其表面具有孔洞结构的基板为模板，于该模板上添加无机氧烷单体使其进行溶胶凝胶反应，最后利用锻烧与萃取等方式将基板移除，即可生成具有光子晶体性质的三维有序多孔微结构。
然而，用以在基板表面形成制作孔洞结构的方法不但需耗费数日，难以达到大量生产的规模，且所完成的孔洞结构普遍出现粒子排列松散的现象，导致后续所完成的成品连续性及再现性较差，可完成的三维有序多孔微结构尺寸相对受限。
因此，如何能够以相对较少的时间制作孔洞结构，且如何让所完成的制作孔洞结构的粒子排列效果更为紧密、可靠，使可藉以有效缩短加工时间，并且制作连续性佳、高再现性以及大面积的三维有序多孔微结构，一直是产业界及学术界所亟欲解决的课题。
发明内容
本发明所解决的技术问题即在提供一种可有效缩短加工时间，且所完成的三维有序多孔微结构具有连续性佳、高再现性等特性的三维有序多孔微结构制造方法。
本发明所采用的技术手段如下所述。
本发明所揭露的三维有序多孔微结构制造方法，基本上具有下列两种主要施作方式。本发明第一种施作方式的三维有序多孔微结构制造方法，基本上包括下列步骤：a.提供一基板；b.建构孔洞结构，于该基板的表面形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构；c.建构一牺牲层，将牺牲材料充填于该孔洞结构与该基板之间的缝隙至预先设定的高度，使于该基板的表面与该孔洞结构之间形成一具预先设定厚度的牺牲层；d.填覆孔洞结构将充填材料填覆于该孔洞结构的缝隙至预先设定的高度；e.移除孔洞结构，待充填材料硬化定型后将孔洞结构的全数粒子移除；完成上述a~e的步骤，即可获得位在该基板的表面的牺牲层上方，具有光子晶体性质且连续性佳、高再现性的三维有序多孔微结构。
依据上述技术特征，所述建构孔洞结构的步骤中，将该基板置入一悬浮液中，该悬浮液中含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子，且提供垂直作用于该基板的表面的附着电场，使该悬浮液中的粒子沉积于该基板的表面，于该附着电场作用预先设定的时间后，将该表面已沉积有预先厚度的粒子的基板自该悬浮液中移出，且在该基板的表面的粒子之间尚具备移动条件的状态下，于该基板***提供作用于该基板的塑形电场，由该塑形电场驱动该基板的表面所沉积的粒子移动至不具备移动条件的最紧密状态，即可于该基板的表面形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构。
本发明第二种施作方式的三维有序多孔微结构制造方法，基本上包括下列步骤：a.提供一基板；b.建构一牺牲层，于该基板的牺牲层表面形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构；d.填覆孔洞结构将充填材料填覆于该孔洞结构的缝隙至预先设定的高度；e.移除孔洞结构，待充填材料硬化定型后将孔洞结构的全数粒子移除；完成上述a~e的步骤，即可获得位在该基板的牺牲层表面，具有光子晶体性质且连续性佳、高再现性的三维有序多孔微结构。
依据上述技术特征，所述建构孔洞结构的步骤中，将该基板置入一悬浮液中，该悬浮液中含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子，且提供垂直作用于该基板的离型层表面的附着电场，使该悬浮液中的粒子沉积于该基板的离型层表面，于该附着电场作用预先设定的时间后，将该已于离型层表面沉积有预先厚度的粒子的基板自该悬浮液中移出，且在该基板的离型层表面的粒子之间尚具备移动条件的状态下，于该基板***提供作用于该基板的塑形电场，由该塑形电场驱动该基板的离型层表面所沉积的粒子移动至不具备移动条件的最紧密状态，即可于该基板的离型层表面形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构。
依据上述技术特征，所述该三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构之前，预先于该基板的表面设有供限制粒子沉积区域的图案。
所述该三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构步骤中，将该基板直立放置于该悬浮液的状态下提供附着电场。
所述该三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构步骤中，将该基板水平放置的状态下提供塑形电场。
所述该牺牲层为氧化物、高分子及金属。
所述该充填材料为金属、金属氧化物或为高分子聚合物。
所述该牺牲层以及充填材料具有物理性质差异或化学性质差异。
依据上述技术特征，所述孔洞结构至少部分有序堆叠排列。
依据上述技术特征，所述三维有序多孔微结构制造方法进一步包含移除牺牲层的步骤，其中移除牺牲层的步骤在移除孔洞结构之前或移除孔洞结构之后进行。
依据上述技术特征，所述三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构之前，预先于该牺牲层表面设有供限制粒子沉积区域的图案。
本发明所产生的有益效果如下。
本发明所揭露的三维有序多孔微结构制造方法，主要在建构孔洞结构的步骤中，于一基板表面沉积并自组装形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构，由该基板作为模板，并利用一牺牲层使其形成无基板支撑的结构，以制作具有连续性佳、高再现性、大面积等特性的三维有序多孔微结构。
附图说明
图1为本发明第一实施例的三维有序多孔微结构制造方法基本流程图。
图2为本发明第一实施例的三维有序多孔微结构制造方法在悬浮液中提供作用于基板的附着电场时的粒子沉积状态示意图。
图3为本发明第一实施例的三维有序多孔微结构制造方法在提供作用于基板的塑形电场时的粒子自组装状态示意图。
图4为本发明第一实施例的三维有序多孔微结构制造方法在建构一牺牲层步骤的状态示意图。
图5为本发明第一实施例的三维有序多孔微结构制造方法在填覆孔洞结构步骤的状态示意图。
图6为本发明第一实施例的三维有序多孔微结构制造方法在移除孔洞结构步骤的状态示意图。
图7为本发明第二实施例的三维有序多孔微结构制造方法基本流程图。
图8为本发明第二实施例的三维有序多孔微结构制造方法在建构一牺牲层步骤的状态示意图。
图9为本发明第二实施例的三维有序多孔微结构制造方法在悬浮液中提供作用于基板的附着电场时的粒子沉积状态示意图。
图10为本发明第二实施例的三维有序多孔微结构制造方法在提供作用于基板的塑形电场时的粒子自组装状态示意图。
图11为本发明第二实施例的三维有序多孔微结构制造方法在填覆孔洞结构步骤的状态示意图。
图12为本发明第二实施例的三维有序多孔微结构制造方法在移除孔洞结构步骤的状态示意图。
图号说明：
10孔洞结构
11粒子
12缝隙
20悬浮液
30基板
40牺牲层
41牺牲材料
50三维有序多孔微结构
51充填材料。
具体实施方式
三维有序微结构是指将组成的颗粒进行有序的三维排列所获得的微结构。在特定的情况下，三维有序微结构可等同于孔洞结构，例如，组成微结构的颗粒具有高度均一的大小、形状、化学组成、内部结构或表面性质等。因此，本发明所揭露的制造方法可应用于孔洞结构，但不限于此。需注意者，以孔洞结构为例，以孔洞结构为模版所制作的反孔洞结构亦可视为一三维有序微结构。
本发明主要提供一种可有效缩短加工时间，且所完成的三维有序多孔微结构具有连续性佳、高再现性等特性的三维有序多孔微结构制造方法，如图1所示，本发明第一种施作方式的三维有序多孔微结构制造方法，基本上包括：a.提供一基板、b.建构孔洞结构、c.建构一牺牲层、d.填覆孔洞结构、e.移除孔洞结构等步骤，请同时配合参照图1至图5所示；其中：在建构孔洞结构的步骤中，将该基板30置入一悬浮液20中，该悬浮液20中含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子11，且提供垂直作用于该基板30的表面的附着电场(如图2所示)，使该悬浮液20中的粒子11以较快的速度沉积于该基板30的表面，于该附着电场作用预先设定的时间后，将该表面已沉积有预先厚度的粒子11的基板30自该悬浮液20中移出，且在该基板30的表面的粒子之间尚具备移动条件的状态下，于该基板30***提供作用于该基板30的塑形电场(如图3所示)，由该塑形电场驱动该基板30的表面所沉积的粒子11移动至不具备移动条件的最紧密状态，即可于该基板30的表面形成由多数粒子11呈六方堆叠的孔洞结构10，其中，该孔洞结构(10)至少部分有序堆叠排列。
在建构一牺牲层的步骤中，将牺牲材料41充填于该孔洞结构10与该基板30之间的缝隙12至预先设定的高度(如图4所示)，使于该基板30的表面与该孔洞结构10之间形成一具预先设定厚度的牺牲层40；于实施时，该牺牲层40可以为氧化物、高分子及金属等，而牺牲材料41的充填方式可以为溅镀、电镀、化学气相沉积、原子层沉积等。
在填覆孔洞结构的步骤中，将充填材料51填覆于该孔洞结构10的缝隙12至预先设定的高度(如图5所示)；于实施时，该充填材料51可以为金属(例如金、银、铜、镍等)、金属氧化物(例如氧化锌)或为高分子聚合物，且牺牲材料以及充填材料具有物理性质差异或化学性质差异，例如熔点、酸碱可溶性等；而充填材料51的填覆方式可以为溅镀、电镀、化学气相沉积、原子层沉积等。
在移除孔洞结构的步骤中，待充填材料51硬化定型后将孔洞结构10的全数粒子11移除(如图6所示)，其中移除方式可以为化学移除法、高温移除法等；在上揭图1至图6所示的实施例中，完成上述a~e的步骤，即可获得位在该基板30的表面的牺牲层40上方，具有光子晶体性质且连续性佳、高再现性的三维有序多孔微结构50。
于使用时，只需将牺牲层40移除即可将三维有序多孔微结构50与基板30脱离，以便直接将三维有序多孔微结构50应用需的领域，其中移除牺牲层40的步骤在移除孔洞结构10之前或移除孔洞结构10之后进行均可；抑或是，将其他晶体材料填入三维有序多孔微结构的孔洞中，待晶体材料硬化定型后，再将三维有序多孔微结构移除，即可进一步制造具备预先设定功能的三维有序微结构。
尤其，在建构孔洞结构的步骤中，可由附着电场与粒子之间的作用力，令粒子快能够以较快的速度沉积于基板表面，以及在后续塑形电场的作用下，令沉积基板表面的粒子彼此推挤并自组装形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构；从而可有效缩短整体三维有序多孔微结构的制作时间，以及获致具有连续性佳、高再现性等特性的三维有序多孔微结构，甚至有利于制作大面积的三维有序多孔微结构。
再者，本发明的三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构之前，可预先于该基板的表面设有供限制粒子沉积区域的图案；以及，在建构孔洞结构步骤中，可将该基板直立放置于该悬浮液的状态下提供附着电场；在建构孔洞结构步骤中，则可将该基板水平放置的状态下提供塑形电场。
如图7所示，本发明第二种施作方式的三维有序多孔微结构制造方法，基本上包括：a.提供一基板、b.建构一牺牲层、c.建构孔洞结构、d.填覆孔洞结构、e.移除孔洞结构等步骤，请同时配合参照图7至图12所示；其中：在建构一牺牲层的步骤中，于该基板30其中一表面设有一预先设定厚度的牺牲层40(如图8所示)；于实施时，该牺牲层40可以为氧化物、高分子及金属等，而牺牲层40的建构方式可以为溅镀、电镀、化学气相沉积、原子层沉积等。
在建构孔洞结构的步骤中，将该基板30置入一悬浮液20中，该悬浮液20中含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子11，且提供垂直作用于该基板30的牺牲层40表面的附着电场(如图9所示)，使该悬浮液20中的粒子11沉积于该基板30的牺牲层40表面，于该附着电场作用预先设定的时间后，将该已于牺牲层40表面沉积有预先厚度的粒子11的基板30自该悬浮液20中移出，且在该基板30的牺牲层40表面的粒子11之间尚具备移动条件的状态下，于该基板30***提供作用于该基板30的塑形电场(如图10所示)，由该塑形电场驱动该基板30的牺牲层40表面所沉积的粒子11移动至不具备移动条件的最紧密状态，即可于该基板30的牺牲层40表面形成由多数粒子11呈六方堆叠的孔洞结构10。
在填覆孔洞结构的步骤中，将充填材料51填覆于该孔洞结构10的缝隙12至预先设定的高度(如图11所示)；同样的，该充填材料51可以为金属(例如金、银、铜、镍等)、金属氧化物(例如氧化锌)或为高分子聚合物。
在移除孔洞结构的步骤中，待充填材料51硬化定型后将孔洞结构10的全数粒子11移除(如图12所示)，其中移除方式可以为化学移除法、高温移除法等；在上揭图7至图12所示的实施例中，完成上述a~e的步骤，即可获得位在该基板30的牺牲层40表面，具有光子晶体性质且连续性佳、高再现性的三维有序多孔微结构50。
同样的，只需将牺牲层40移除即可将三维有序多孔微结构50与基板30脱离，以便直接将三维有序多孔微结构50应用需的领域；抑或是，将其他晶体材料填入三维有序多孔微结构的孔洞中，待晶体材料硬化定型后，再将三维有序多孔微结构移除，即可进一步制造具备预先设定功能的三维有序微结构。
在本实施例中，同样可在建构孔洞结构之前，预先于该基板的表面设有供限制粒子沉积区域的图案，抑或者可在建构孔洞结构之前，预先于该牺牲层表面设有供限制粒子沉积区域的图案；以及，在建构孔洞结构步骤中，可将该基板直立放置于该悬浮液的状态下提供附着电场；在建构孔洞结构步骤中，则可将该基板水平放置的状态下提供塑形电场。
另外，上述第一种施作方式及第二种施作方式中建构孔洞结构的步骤，亦可利用自然重力沉降、离心、真空抽气过滤法或电泳等其中一种方式于该基板表面形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构。
与传统习用结构相较，本发明所揭露的三维有序多孔微结构制造方法，主要在建构孔洞结构的步骤中，可由附着电场与粒子之间的作用力，令粒子快能够以较快的速度沉积于基板表面，以及在后续塑形电场的作用下，令沉积基板表面的粒子彼此推挤并自组装形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构。从而可有效缩短整体三维有序多孔微结构的制作时间，以及有助于获致具有连续性佳、高再现性、大面积等特性的三维有序多孔微结构；甚至，有助于进一步利用所完成的三维有序多孔微结构，制作粒子排列效果相对较更紧密、可靠的三维有序微结构。

Claims (14)

1.一种三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
a.提供一基板(30)；
b.建构一孔洞结构(10)，于该基板(30)的表面形成由多数粒子(11)呈六方堆叠的孔洞结构(10)；
c.建构一牺牲层(40)，将牺牲材料(41)充填于该孔洞结构(10)与该基板(30)之间的缝隙(12)至预先设定的高度，使于该基板(30)的表面与该孔洞结构(10)之间形成一具预先设定厚度的牺牲层(40)；
d.填覆孔洞结构，将充填材料(51)填覆于该孔洞结构(10)的缝隙(12)至预先设定的高度；
e.移除孔洞结构(10)，待充填材料(51)硬化定型后将孔洞结构(10)的全数粒子(11)移除；
完成上述a～e的步骤，即获得位在该基板(30)的表面的牺牲层(40)上方的三维有序多孔微结构(50)。
2.如权利要求1所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该建构孔洞结构(10)的步骤中，将该基板(30)置入一悬浮液(20)中，该悬浮液(30)中含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液(20)中的粒子(11)，且提供垂直作用于该基板(30)的表面的附着电场，使该悬浮液(20)中的粒子(11)沉积于该基板(30)的表面，于该附着电场作用预先设定的时间后，将该表面已沉积有预先厚度的粒子(11)的基板(30)自该悬浮液(20)中移出，且在该基板(30)的表面的粒子(11)之间尚具备移动条件的状态下，于该基板(30)***提供作用于该基板(30)的塑形电场，由该塑形电场驱动该基板(30)的表面所沉积的粒子(11)移动至不具备移动条件的最紧密状态，即于该基板(30)的表面形成由多数粒子(11)呈六方堆叠的孔洞结构(10)。
3.一种三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
a.提供一基板(30)；
b.建构一牺牲层(40)，于该基板(30)其中一表面设有一预先设定厚度的牺牲层(40)；
c.建构孔洞结构(10)，于该基板(30)的牺牲层(40)表面形成由多数粒子(11)呈六方堆叠的孔洞结构(10)；
d.填覆孔洞结构将充填材料(51)填覆于该孔洞结构(10)的缝隙(12)至预先设定的高度；
e.移除孔洞结构(10)，待充填材料(51)硬化定型后将孔洞结构(10)的全数粒子(11)移除；
完成上述a～e的步骤，即获得位在该基板(30)的牺牲层(40)表面的三维有序多孔微结构(50)。
4.如权利要求3所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该建构孔洞结构(10)的步骤中，将该基板(30)置入一悬浮液(20)中，该悬浮液(20)中含有多数均匀悬浮、分散于该悬浮液中的粒子(11)，且提供垂直作用于该基板(30)的离型层(31)表面的附着电场，使该悬浮液(20)中的粒子(20)沉积于该基板(30)的离型层(31)表面，于该附着电场作用预先设定的时间后，将该已于离型层(31)表面沉积有预先厚度的粒子(11)的基板(30)自该悬浮液(20)中移出，且在该基板(30)的离型层(31)表面的粒子(11)之间尚具备移动条件的状态下，于该基板(30)***提供作用于该基板(30)的塑形电场，由该塑形电场驱动该基板(30)的离型层(31)表面所沉积的粒子(11)移动至不具备移动条件的最紧密状态，即于该基板(30)的离型层(31)表面形成由多数粒子(11)呈六方堆叠的孔洞结构(10)。
5.如权利要求1至4任一所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构(10)之前，预先于该基板(30)的表面设有供限制粒子(11)沉积区域的图案。
6.如权利要求2或4所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构(10)步骤中，将该基板(30)直立放置于该悬浮液(20)的状态下提供附着电场。
7.如权利要求1至4任一所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构(10)步骤中，将该基板(30)水平放置的状态下提供塑形电场。
8.如权利要求1至4任一所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该牺牲层(40)为氧化物及金属。
9.如权利要求1至4任一所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该充填材料(51)为金属、金属氧化物或为高分子聚合物。
10.如权利要求1至4任一所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该牺牲层(40)以及充填材料(51)具有物理性质差异或化学性质差异。
11.如权利要求1至4任一所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该孔洞结构(10)至少部分有序堆叠排列。
12.如权利要求1至4任一所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该三维有序多孔微结构制造方法包含移除牺牲层(40)的步骤，其中移除牺牲层(40)的步骤在移除孔洞结构(10)之前或移除孔洞结构(10)之后进行。
13.如权利要求3或4所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该三维有序多孔微结构制造方法，在建构孔洞结构(10)之前，预先于该牺牲层(40)表面设有供限制粒子(11)沉积区域的图案。
14.如权利要求1或3所述的三维有序多孔微结构制造方法，其特征在于，该建构孔洞结构利用自然重力沉降、离心、真空抽气过滤法或电泳其中一方式于该基板表面形成由多数粒子呈六方堆叠的孔洞结构。
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