《基於表面納米褶皺的微納分級結構仿生製造工藝研究》是依託華中科技大學，由夏奇擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於表面納米褶皺的微納分級結構仿生製造工藝研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：夏奇
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
許多生物表面的微納分級結構具有優異的功能，這類結構的仿生製造有著廣闊的套用前景，但也對目前的微納製造技術提出了很大的挑戰。近年來，大量的研究成果證實了覆蓋在彈性基底表面的剛性薄膜在壓縮應力作用下可以自發生成具有多樣紋理的褶皺，這為微納分級結構的仿生製造提供了新的思路。因此，本課題提出將薄膜褶皺和微結構結合，通過在微結構表面生成納米褶皺來製造微納分級結構。這種製造方法由於不需要昂貴的設備，並且可以獲得較高的效率，所以可用於低成本、大批量的仿生製造。為此，本課題將開展微結構表面納米褶皺的生成機理、製作工藝及其最佳化、仿生微納分級結構製作實驗等研究工作，解決基於表面納米褶皺的微納分級結構製造工藝中的理論與關鍵技術問題，為解釋和深入認識微結構表面納米褶皺的生成機理提供理論基礎，為典型仿生微納分級結構的低成本、大批量製造提供新方法。
結題摘要
覆蓋在彈性基底表面的剛性薄膜在壓縮應力作用下會發生屈曲形成褶皺。這一現象通常被認為是影響結構穩定性和導致失效的不利因素。近年來，研究者發現利用此現象可以在薄膜表面生成紋理多樣的褶皺，並提出基於這一現象來製造表面微納結構。本課題提出將薄膜褶皺和微結構結合，通過在微結構表面生成納米褶皺來製造微納分級結構。這一方法不需要昂貴的設備，具有較高的效率，可用於低成本製造。製備出的褶皺結構，可以套用在表面增強拉曼散射基底、太陽能電池等。 利用有限元軟體ABAQUS進行模擬，通過線性屈曲模態分析和非線性變形分析，研究了薄膜/基底結構的屈曲問題，分析了微結構表面納米褶皺的生成機理，揭示褶皺紋理、臨界應變和臨界波長受到薄膜/基底的初始幾何參數（基底初始厚度、薄膜初始厚度、微結構初始尺寸等）、材料參數（楊氏模量、泊松比等）和外載入荷（預應變、溫度等）影響的規律。 採用SU-8負性光刻膠和AZ9260正性光刻膠，分別製備出直徑65μm的圓柱陣列和直徑20μm的半球陣列；以此為基底，通過磁控濺射鍍一層厚度為10nm到1μm的鈦膜；再將樣品放置在還原性氣氛中按特定溫度曲線在400到900攝氏度的範圍內進行熱解，使光刻膠微結構受熱分解成碳並發生收縮，由此獲得具有表面納米褶皺的微納分級結構。此外，實驗證明金屬薄膜褶皺的產生是發生在光刻膠熱解成碳的收縮過程中，薄膜和基底保持了良好粘附狀態。利用傅立葉變換方法和原子力顯微鏡測量，分別定量表征了褶皺的寬度和深度信息；並研究了不同鈦膜厚度和熱解溫度對褶皺尺寸參數的影響。 利用5nm厚度的鈦膜產生的納米褶皺為模版，在褶皺表面鍍一層厚度為50nm到600nm的銀膜，作為SERS基底。以羅丹明6G（R6G）作為探針分子，進行拉曼光譜測試，發現其拉曼光譜峰值明顯。對比不同厚度銀膜下的褶皺結構，發現200nm厚度銀膜的SERS基底具有最好的增強效果：與銀膜平面基底對比，隨意選取的15個測量點的平均增強因子達一百萬倍，最高峰值處的標準差為31.3%，該基底能檢測R6G的最低濃度為10-9mol/L。同時，基於褶皺的SERS基底，可以用於三聚氰胺的檢測，可以檢測出濃度為0.2mg/L的三聚氰胺。
