CN113878866B - 一种基于电场调控的三维薄膜成型方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种基于电场调控的三维薄膜成型方法，光源产生光线照射到数字微镜阵列上，从数字微镜阵列反射的光具备特定的图案，经过一系列透镜后光线垂直照射到光导材料层，从而形成特定图案的虚拟电极形状，进而控制薄膜的三维形态。该方法可制备传统光刻难以制备的三维形貌，且成本远低于光刻、物理刻蚀等加工方法，加工效率也有所提高。材料不只局限于光固化材料，也可制备能够热固化的材料。

Description

一种基于电场调控的三维薄膜成型方法

技术领域

本申请涉及膜成型技术领域，尤其涉及一种基于电场调控的三维薄膜成型方法。

背景技术

薄膜材料在各个领域扮演着越来越重要的地位，其中薄膜的几何结构是控制薄膜材料性质的主要参数之一。现有的薄膜材料几何形貌控制方式有光刻、光固化3D打印等。光刻方式最常用于制备二维的几何结构，也有通过灰度光刻的方式进行三维形貌制备的技术，但对设备和工艺的要求极其苛刻，成品率较低。3D打印可方便地制备薄膜的三维构型，但一般精度较低，目前市面上光固化3D打印精度在20μm左右，更高的精度需要特定的设备，多停留在实验室阶段，且加工的薄膜材料必须具备较好的光固化特性。本发明提出一种利用电场控制油水界面形态从而制备三维薄膜材料构型的方法和工艺，制备的薄膜形貌几何精度高、设备成本低，且对材料光固化性能要求低。

现有的薄膜材料三维形貌制备方式：

1)灰度光刻技术：光刻技术最常用于制备二维薄膜形貌，但如果光刻过程中的掩膜是灰度图形，即透过掩膜的光随着掩膜的透光性不同而使其光强分布不均匀，则光刻胶固化程度不同。显影过程中固化程度高的光刻胶不容易被溶解，而固化程度低的光刻胶容易被溶解，则相同的显影时间下不同位置的光刻胶高度不同，形成对应的三维形貌。

2)3D打印技术：3D打印技术通过对几何模型进行分层，逐层构建二维图形并堆积成三维形貌。

3)物理刻蚀技术：物理刻蚀本质上是通过激光、离子数、电子束等高能量密度的能量流对材料表面水相蒸发，通过控制束流强度和刻蚀时间实现对材料表面不同位置的刻蚀深度，进而形成三维形貌。

现有技术的缺点：

1)灰度光刻技术：相比于普通光刻工艺，对设备性能和光刻工艺要求更加严格，需要根据材料特性严格控制烘烤参数、曝光参数和显影参数，整体工艺成本很高。

2)3D打印技术：市面上的光固化3D打印技术最高精度约为20μm，实验室通过激光直写的3D打印技术可以达到几百纳米的精度，但设备成本高，且加工效率较低。

3)物理刻蚀技术：物理刻蚀技术同样需要特殊设备支持，且刻蚀效率极低，一般刻蚀的形貌特征在纳米级别，成本高于光刻。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

针对薄膜材料三维形貌的常见加工方式成本高、效率低的现状，本发明提出一种通过电场力控制油水界面变形从而实现三维形貌的薄膜材料制备工艺，即一种基于电场调控的三维薄膜成型方法，采用液池、数字微镜阵列、透镜和光源，所述液池的底部为自上而下依次紧密贴合的介电层、光导材料层和透明导电层；成型方法包括以下步骤：

步骤A，液池内先放入非极性液体，再放入极性液体，电源的一极电连接于透明导电层，电源的另一极电连接于极性液体内，电源处于断电状态；

步骤B，光源产生的光线照射到数字微镜阵列上，从数字微镜阵列反射的光具备特定图案，光经过透镜并透过透明导电层后，垂直照射到光导材料层，形成与数字微镜阵列相同图案的虚拟电极形状；

步骤C，将电源处于通电状态，极性液体与非极性液体的界面在电场力的作用下发生变形，随着通电时间增加，极性液体或非极性液体在界面处发型形变，液态薄膜形成与数字微镜阵列图案水平分布相同但厚度上存在截面变化的三维形态；

步骤D，界面形态稳定后，将液态薄膜固化，固化完全后进行清洗，获得与数字微镜阵列图案水平分布相同但厚度上存在截面变化的三维形态的固态薄膜。

在一些实施例中，所述步骤C中，电源的电压发生变化，界面的变形程度也随之发生变化，电压越大，变形程度越大，形成变形程度不同的液态薄膜。

在一些实施例中，所述步骤D中，固化的方式为光固化或热固化。

在一些实施例中，所述光固化的方式采用紫外光固化。

在一些实施例中，所述热固化的方式为采用在液池外壁贴覆加热片或者热辐射的方式。

在一些实施例中，所述透镜为凸透镜或起到凸透镜效果的菲涅尔透镜。

在一些实施例中，所述透镜设有多个，形成能够使数字微镜阵列反射后的光垂直照射到光导材料层的透镜组。

在一些实施例中，所述光导材料层采用氢化非晶硅。

在一些实施例中，所述透明导电层为ITO导电层。

在一些实施例中，所述数字微镜阵列以DMD芯片的形式存在，且采用高分辨率DMD芯片。

本申请实施例的方法，可制备传统光刻难以制备的三维形貌，且成本远低于光刻、物理刻蚀等加工方法，加工效率也有所提高。材料不只局限于光固化材料，也可制备能够热固化的材料。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，

图1-2为电场控制油水界面变形原理图；

图3-4为本申请实施例中的三维薄膜成型方法的示意图；

其中：

图1为施加电场瞬间时油水界面的状态图；

图2为界面稳定后油水界面的状态图。

图3为本申请实施例中的三维薄膜成型的原理图；

图4为图3中在不同电压下的薄膜形态示意图；

附图标记：

1-极性液体；2-非极性液体；3-介电层；4-电极基板；5-电源；6-光导材料层；7-透明导电层；8-透镜；9-光源；10-数字微镜阵列；11-紫外光；12-液池。

具体实施方式

原理：如图1-2所示，油水界面在电场中时会受到电场力的作用而发生变形，所受到的电场力垂直于油水界面。极性液体1、非极性液体2、介电层3和电极基板4按如图1方式布置，极性液体1和电极基板4分别连接电源5两极。通电瞬间，非极性液体2中电场分布如图1中的曲线，电场分布呈现不均匀的状态，靠近电极基板4位置的电场强度较大，因此该位置的油水界面受到更大的垂直于油水界面的电场力。电场力方向与界面两侧液体的介电常数ε₁和ε₂的相对大小有关，电场力方向朝向介电常数小的一侧，与电场线方向无关。在图1中极性液体1的介电常数ε₁大于非极性液体2的介电常数ε₂，则电场力方向朝向非极性液体2。电场分布不均匀，油水界面受到的电场力大小不同，靠近电极基板4的液体界面受到的电场力最大，因此该位置的界面相比于其他位置以更快的速度向非极性液体2一侧的方向运动，其他位置的界面受到的电场力较小，如果空间不受限制则界面也会向下运动。但因为液体的可压缩性较差，遵循质量守恒原理，电场力小的界面位置会被液体挤压向反方向运动。在此过程中界面张力F_σ、电场力F_σ和非极性液体薄膜中的压力P三者相互抗衡并达到平衡，平衡状态界面上每个位置F_E＝P+F_σ。平衡后液体界面的形态和对应的电场分布如图2所示。界面的变形程度与电场强度成正相关，因此随着电压的增大、介电层厚度的减小、介电层介电常数ε₃的增大，界面的变形程度均会增大。

根据这一原理在薄膜形态制备过程中可改变电极的形状、电压的大小直接控制薄膜不同位置的厚度形成三维形态的几何形貌。在此基础上将电极基板4换成光致导电材料，即光导材料层6，通过投影图案的方式改变光致导电层的局部导电率，形成特殊二维形状的虚拟电极，从而控制油水界面的变形，形成三维形貌。

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图3-4描述本申请实施例的一种基于电场调控的三维薄膜成型方法，采用液池12、数字微镜阵列10、透镜8和光源9，包括以下步骤：

步骤A，液池12内先放入非极性液体2，控制非极性液体液量，形成液膜，一般厚度在10um～2mm均可，再放入极性液体1，极性液体层厚度不受限制。如图3所示，液池的12底部为自上而下依次紧密贴合的介电层3、光导材料层6和透明导电层7，对于紧密贴合的方式为本领域的常规手段，例如物理沉积或化学沉积的方法，在此不多赘述。液池12池壁采用绝缘材质，比如玻璃、塑料等。电源5的正极电连接于透明导电层7，电源5的负极电连接于极性液体1内，电源5处于断电状态。由于电源极性不影响界面变形，因此只要其中一级连接电极，另一极连接极性液体即可。

需要注意的是，之所以要先放入非极性液体2，是因为非极性液体2需要更靠近于电极，而光导材料层6相当于虚拟电极。

步骤B，光源9产生的光线照射到数字微镜阵列10上，从数字微镜阵列10反射的光具备特定图案，光经过透镜8并透过透明导电层7后，垂直照射到光导材料层6，形成与数字微镜阵列10相同图案的虚拟电极形状。

步骤C，将电源9处于通电状态，极性液体1与非极性液体2的界面在电场力的作用下发生变形，随着通电时间增加，极性液体1或非极性液体2在界面处发生形变，液态薄膜形成与数字微镜阵列10图案水平分布相同但厚度方向上截面变化的三维形态。

需要强调的是，成膜要看哪一种液体可以被固化，如果极性液体1可以被固化，就是极性液体1成膜，如果非极性液体2可以被固化，就是非极性液体2成膜。而被固化的液体的厚度会影响固化的时间，即厚度越大，固化时间越长。这里所说的厚度是微观下的厚度，一开始加入的液体的厚度就在微米级，固化成膜后的厚度只会有很微小的变化。

在选择极性液体1与非极性液体2时，需要考虑到这两种液体中只有一种液体可以被某一种方式固化(光固化或热固化)，才能最终制备出成品的三维薄膜。选择需要制备的薄膜材质时，就要考虑该材料是否能够被固化，然后去搭配另一相的液体，只要两种液体不相容，介电常数不同就行。

还有一种情况就是所选择的两种不相溶的液体，其固化方式不同，例如一种可以被热固化，另一种可以被光固化，那么最终固化方式只选择其中一种，只将其中一种液体固化成膜，这种情况也可以。

步骤D，界面形态稳定后，将液态薄膜固化，固化完全后进行清洗，获得与数字微镜阵列10图案水平分布相同但厚度方向上截面变化的三维形态的固态薄膜。完成三维形态薄膜的制备。

在一些实施例中，所述步骤C中，电源5的电压发生变化，界面的变形程度也随之发生变化，电压越大，变形程度越大，形成变形程度不同的液态薄膜。

在一些实施例中，所述步骤D中，固化的方式为光固化或热固化等方式。

在一些实施例中，所述光固化的方式采用紫外光11固化。

在一些实施例中，所述热固化的方式为采用在液池12外壁贴覆加热片或者高功率密度的光产生的热辐射的方式。加热片可以为电阻丝加热片。需要指出的是，一般选择的液态材料升温到几十度就能完成热固化，液池12不会由于高温而发生变形或损坏。而且液池12所选材质的导热性也没有问题，例如烧杯、培养皿等一些常见的器皿材料其导热性都能满足要求。

在一些实施例中，所述透镜8为凸透镜或起到凸透镜效果的菲涅尔透镜。可以是一系列光学透镜。

在一些实施例中，所述透镜8设有多个，形成能够使数字微镜阵列10反射后的光垂直照射到光导材料层6的透镜组。

在一些实施例中，所述光导材料层6采用氢化非晶硅，通过磁控溅射或化学沉积方式制备。

在一些实施例中，所述透明导电层7为ITO导电层。

在一些实施例中，介电层3厚度为1～100um，根据电压大小适当调整厚度，要求绝缘性能好，不容易击穿即可。介电层3可以采用旋涂液态材料并固化的方法制备聚合物介电层，也可以采用物理化学沉积的方式制备氧化物等无机材料的介电层。

在一些实施例中，所述数字微镜阵列10以DMD芯片的形式存在。数字微镜阵列10可通过电脑及显示***控制图案的输出，理论上二维图形形状不受限制，其精度由DMD芯片分辨率和像素尺寸决定。

随着光照强度和光导材料灵敏度的提高，光导材料的导电性会增加，光照位置和非光照位置的导电率区别也会增大，从而增大油水界面的变形程度。

如图4所示，对于相同的光照条件，改变电压也会改变油水界面的变形程度，从而调控薄膜的三维形态，U1～U4电压逐渐升高，油水界面变形程度增大，形成的不同的油膜三维形貌。

薄膜厚度方向上尺寸和精度通过电压和光强控制，水平方向上的精度由虚拟电极的精度控制，通过采用高分辨率的DMD芯片可提高虚拟电极精度，例如1080P，2K，4K的芯片，DMD芯片分辨率越高，虚拟电极的精度越高。或者通过光学透镜将DMD投影的图案缩小后投射到光导材料层6上可进一步提高电极精度，但会降低薄膜制备效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，采用液池、数字微镜阵列、透镜和光源，所述液池的底部为自上而下依次紧密贴合的介电层、光导材料层和透明导电层；所述透镜设有多个，形成能够使数字微镜阵列反射后的光垂直照射到光导材料层的透镜组；成型方法包括以下步骤：

步骤A，液池内先放入非极性液体，再放入极性液体，电源的一极电连接于透明导电层，电源的另一极电连接于极性液体内，电源处于断电状态；

步骤B，光源产生的光线照射到数字微镜阵列上，从数字微镜阵列反射的光具备特定图案，光经过透镜组并透过透明导电层后，垂直照射到光导材料层，形成与数字微镜阵列相同图案的虚拟电极形状；

步骤C，将电源处于通电状态，极性液体与非极性液体的界面在电场力的作用下发生变形，随着通电时间增加，极性液体或非极性液体在界面处发生形变，液态薄膜形成与数字微镜阵列图案水平分布相同但厚度方向上截面变化的三维形态；电源的电压发生变化，界面的变形程度也随之发生变化，形成变形程度不同的液态薄膜；

步骤D，界面形态稳定后，将液态薄膜固化，固化完全后进行清洗，获得与数字微镜阵列图案水平分布相同但厚度方向上截面变化的三维形态的固态薄膜。

2.根据权利要求1所述的基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，所述步骤D中，固化的方式为光固化或热固化。

3.根据权利要求2所述的基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，所述光固化的方式采用紫外光固化。

4.根据权利要求2所述的基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，所述热固化的方式为采用在液池外壁贴覆加热片或者热辐射的方式。

5.根据权利要求1所述的基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，所述透镜为凸透镜或起到凸透镜效果的菲涅尔透镜。

6.根据权利要求1所述的基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，所述光导材料层采用氢化非晶硅。

7.根据权利要求1所述的基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，所述透明导电层为ITO导电层。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于电场调控的三维薄膜成型方法，其特征在于，所述数字微镜阵列以DMD芯片的形式存在，且采用高分辨率DMD芯片。

Images