利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方法

2023-05-25 07:16:26 1

專利名稱：利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方法
技術領域：
本發明屬於仿生微製造技術領域，具體地說是涉及一種利用多光束幹涉光刻技術
在透明聚合物材料上製備仿生彩色超疏水塗層的方法。
背景技術：
自然界中各種生物表面的特殊功能引起人們的很大興趣，如荷葉表面的疏水特 性、蝴蝶翅膀的彩虹色以及爬壁虎的腿有很強的吸附力等。研究發現，這些新奇的特性是由 於其表面的一些特殊的微納結構引起。例如，通過高精度的掃描電鏡觀察，在荷葉表面布滿 一個挨一個隆起的乳突，它的平均直徑為5 i！ m，而且在每個乳突表面又長滿納米級的蠟質 細絨毛。正是因為這種微結構和表面蠟質物共同作用形成荷葉表面極強的疏水性。灑落 在葉面上的水滴能自動調節成完美的球形，接觸角大於160° ，使水珠在葉面上可以自由滾 動，葉面上的塵土汙泥也能隨著水珠一起滾動直至脫離葉面，使葉面始終保持清潔。在蝴蝶 翅膀表面，人們發現其表面也有很多的微結構，並且這些微結構具有一定的規則性，從而導 致光的衍射和散射，使其具有絢麗的彩虹色。另外，這些微結構使蝴蝶翅膀還具有強的疏水 特性，具有一定的防水防溼功能。這些由生物進化帶來的奇特的自適應現象啟迪激發人們 設計人工的微結構來實現各種特殊的功能，這些功能如果能夠移植到人造表面(汽車、建 築物牆面、衣物等)以及紡織、微流體傳輸、醫學器械、其他功能微器件等領域，就可以找到 無數的技術應用，因而其應用前景非常廣闊。 重大的應用前景使超疏水表面的研究在目前成為一個熱點領域。已有的研究表 明，影響固體表面浸潤性的因素主要有兩個一是表面自由能；二是表面粗糙度。具有低的 表面能和高的粗糙度的表面呈現更好的疏水效果。所以，近年來，人們通過各種技術來提高 表面的粗糙度並降低其表面能，從而實現超疏水特性(9 >150° )。主要製備技術有以下 幾種， 1 、模板法具體是將孔徑28 80nm的氧化鋁模板覆蓋在聚合物膜上，然後加熱聚 合物使其熔化並將其壓入模板的孔內，最後除去模板即可得到納米棒狀的陣列結構。由此 演化出模板積壓法，即以多孔氧化鋁為模板，在一定壓力的作用下將一定濃度的聚合物溶 液擠出並乾燥的方法，得到了聚合物納米纖維陣列體系； 2、電紡法靜電紡絲簡稱電紡，是近年來興起的一種製備納米至微米級纖維的十 分有效的方法，它是將聚合物溶液或熔體置於高壓靜電場中，帶電的聚合物液滴在電場庫 侖力的作用下被拉伸。當電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流。細流 在噴射過程中溶劑蒸發或固化，最終落在接收裝置上，形成無紡布狀的微、納米纖維膜。
3、電化學沉積法是一種簡單、高效、廉價並且不受基底形狀限制的製備粗糙結構 的方法，在近年來已經被很多科學家用來製備超疏水材料。 4、一步浸泡法在金屬表面上構築了環境穩定的超疏水薄膜。該方法的特點是簡 單、廉價；無需預先構築表面微結構和後期的低表面能物質修飾；可大面積製備；得到的超 疏水表面具有很好的環境穩定性。將金屬片或者金屬薄膜在脂肪酸的乙醇溶液中經過一步浸泡後，在金屬表面上形成花形的金屬脂肪酸鹽微簇。水滴在這種由微簇組成的表面上表 現出高的接觸角和很小的滾動角。 5、相分離法其機理是利用聚合物在溶劑揮發過程中自聚集、曲面張力和相分離 的原理，利用兩種聚合物溶劑中具有不同的溶解度，因此在溶劑揮發的時候產生相分離。表 面能低的聚合物傾向於在聚合物的表面聚合，而表面能稍高的聚合物傾向於在聚合物內部 聚合，因此形成了具有一定粗糙結構和低表面能的膜。 6、光刻蝕法。採用光刻膠、掩模板，用紫外光進行微加工。該法工藝成熟，能批量 生產尺寸小至250nm的微製品，若用深紫外光(波長193nm的ArF準分子雷射和波長57nm 的F2準分子雷射)甚至能製作尺寸達100nm量級的圖形。然而，光刻蝕法不僅設備昂貴、 工藝複雜。 其它製備超疏水表面的方法還有，氣相沉積法，自組裝法，等離子體表面處理，激 光刻蝕技術等。這些超疏水表面具有防水、防汙染、防氧化和自清潔等多種功能，在軍事、工 農業生產、生物醫學工程領域和人們的日常生活中具有非常廣闊的應用前景。例如，超疏水 材料用於微量注射器針尖上，還可消除昂貴藥物在針尖上的粘附及對針尖的汙染，減少昂 貴藥品的浪費；用於石油管道運輸中，可防止石油對管道的粘附，減少運輸損耗，並可防止 管道堵塞；在水資源短缺的今天，城市建築外表面使用疏水自潔材料，藉助雨水的衝刷實現 自清潔，將大大減少清洗次數，既節約資源又可避免高空作業帶來的安全隱患；疏水自潔材 料用於汽車等交通工具的風檔玻璃上，雨天因玻璃積聚水滴而導致視線差的狀況將大為改 善，用於修飾紡織品，可做成防水、防油和防汙服裝。Yamauchi等人將衛星接收天線做成超 疏水表面，實驗證明超疏水表面會減少積雪量，避免了因積雪造成的衛星信號的中斷。
儘管目前超疏水材料的製備上取得很大的進展，但是存在著很多不足。比如製備 過程複雜，製備過程難於控制，製備原料價格昂貴等，許多方法涉及到特定的設備、苛刻的 條件和較長的周期，難以用於大面積超疏水表面的製備。更重要的是，目前所製備的超疏水 表面大部分都是無規則結構，其表面呈現灰白色或者黑色。然而，在實際應用中，如衣物、門 窗、屏風、商場和舞廳牆壁表面等許多應用，就需要一種既有各種絢麗的顏色，而且具有超 疏水的自清潔效果的功能材料。這就限制了目前大多數超疏水材料製備方法的應用。

發明內容
本發明的目的在於提供一種利用多光束雷射幹涉光刻技術製備仿生超疏水塗層
的方法，本發明所製備的塗層疏水性可控，塗層面積大，表面成絢麗的彩色。 雷射幹涉光刻技術由於能產生亞微米至納米尺寸的周期性陣列圖形，無須採用掩
模，並且光學系統簡單，成本低廉而得到人們的廣泛關注。雷射幹涉光刻技術利用光的幹涉
和衍射特性，來調控幹涉場內的光強度分布，並用感光材料記錄下來，從而產生光刻圖形。
由於雷射幹涉光刻技術不需要昂貴的投影光學系統，曝光場的面積僅受限於系統的通光孔
徑，因此它特別適合於大面積範圍內產生圖形。雷射幹涉光刻有幾個優勢，其系統簡單廉
價，沒有複雜的曲面光學元件，容易實現一次曝光大視場。採用現行的曝光光源和已成熟應
用的抗蝕劑工藝，不需要昂貴的光刻成像透鏡，提供了得到高分辨、無限焦深、大面積光刻
的可能性。 從仿生的理念出發，採用多光束幹涉光刻法簡單、快速地加工大面積、周期性、規則的柱狀結構，並對表面進行低表面能修飾，方便、快捷、高效地製備均勻的超疏水塗層。這 種方法不僅可以避免現有製備方法的不足，同時由於其結構的規則性本身對入射光的散射 和衍射，使材料表面呈現各種彩色，起到很好的裝飾效果，促進了超疏水表面向簡單化和實 用化發展。
本發明是通過以下技術方案實現的首先通過搭建多光束雷射幹涉系統，然後將
可固化材料塗覆於硬質基底表面，再用雷射幹涉照射可固化材料成型，經顯影后獲得所需
要的大面積的周期性的柱狀結構，最後再在其表面修飾一層低表面能物質，即得到彩色仿
生超疏水塗層(表面)。
本發明所述方法，其步驟如下 (1)搭建雷射多光束幹涉系統 光源選擇為納秒脈衝雷射器或連續雷射器，產生用於紫外波段的雷射加工的光 束；納秒脈衝雷射器的波長範圍為200 2000nm，脈衝寬度範圍為0. 9ns 900ns，重複 頻率範圍為1Hz lOKHz，單脈衝能量範圍為10pJ 1J，雷射器輸出的雷射的強度為0 1. 5W。 從雷射器發出的雷射首先經過石英透鏡擴束後，由半透半反(反射50%，透射 50% )的反射鏡分成多束強度一樣的相干雷射，再由鍍膜的反射鏡(反射大於99. 5% )將 其會聚後實現幹涉。各束光的光強可由位於各自光路上的中性可變密度濾光片調整。
前面所述的幹涉光束的數目為2 8束，也可以為更多束的幹涉光。
(2)幹涉材料的製備 在清潔乾淨的基底(石英、半導體等)上旋塗可固化聚合物材料或者可降解聚合 物材料。通過控制勻膠機的轉速或材料的濃度，來控制材料的厚度，進而控制微結構的高 度，其範圍從10nm到20iim。 所述的可固化聚合物材料是指液體或粘稠材料經光或熱作用後變為固體的材料， 包括光固化材料和熱固化材料。 所述的光固化材料是指在光作用下可以導致材料聚合、還原、異構化等化學反應， 從而使材料從液態變為固體狀態，包括光敏樹脂、光固化樹脂、光刻膠、光致抗蝕劑等；如紫 外固化光刻膠N0A61 (Norland Optical Adhesive) 、N0A63，環氧型的紫外光刻膠SU-8，環化 橡膠負性光刻膠RFJ-220, SCR500，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等。 所述的光固化材料在光作用下發生聚合反應，聚合機理包括自由基聚合、陽離子 聚合、陰離子聚合，聚合類型包括開環聚合、烯烴聚合等。 所述的熱固化材料是指熱誘導材料發生物理變化和化學反應從而使材料由液體 狀態變為固體狀態。 所述的可降解聚合物材料是指固體材料經光或熱作用後變成經有機溶劑可溶解 的材料。如東進正光刻膠DSAM3020、 DTFR-330R、 DTFR-ELIOO，紫外正型光刻膠BP-212等。
(3)幹涉光刻使可固化材料固化，或使可降解材料降解，顯影后獲得微結構陣列
控制雷射幹涉光束的曝光時間(0. 9ns 100h)、控制幹涉光與基片所在平面法 線的夾角(1° 90° )，從而得到可固化材料或可降解材料微結構陣列的固化線寬為 100nm 20 ii m、佔空比為0. 2 1、周期為355nm 20 ii m ; 所述的顯影過程是利用溶劑將未固化或已降解的材料清洗掉，溶劑包括丙酮、四
6氫呋喃、氯仿、甲苯、苯、二氯甲烷、乙醇、甲醇等或其它與可固化材料對應的顯影劑。
(4)低表面能材料修飾 採用熱蒸發的方式，將低表面能的材料蒸發成氣體，然後吸附在前面步驟製備的
微結構陣列表面，從而降低其表面能，進而在基底上得到仿生彩色超疏水塗層。 所用的低表面能材料可以是含氟的有機物，包括氟矽烷、丙烯酸全氟乙酯、辛基硫
醇、十八烷基硫醇、全氟辛基三氯甲基矽烷等。 進一步地，在步驟(3)的基礎上，經刻蝕獲得基底材料的圖案化結構 利用刻蝕技術，以雷射幹涉得到的可固化材料或可降解材料的微結構為掩膜，對
基底進行刻蝕，從而獲得基底材料的微結構陣列，調整刻蝕條件可改變基底微結構陣列的
高度為10nm 20iim、佔空比為0. 2 1。 所述的刻蝕技術包括反應離子刻蝕、等離子體刻蝕、反應等離子體刻蝕、離子束 刻蝕、反應離子束刻蝕等刻蝕技術。 所述的反應離子刻蝕選用的氣體包括氬氣、氧氣、特殊氣體和兩種或多種氣體混合。所述的特殊氣體包括CF4、 CHF3、 CC12F2、 CC14、 BC13、 C2F6、 SF6、 HBr、 H2、 Cl2等。
所述的混合氣體包括CF4+H2、 SF6+02、 CCl4+Ar、 CC14+C12、 BC13+C12、 CCl4+02、 CF4+02、 CF4+02、 CCl2F2+CF4+02+Ar等。 所述的基底材料包括石英、半導體材料等。所述的半導體材料包括Si、Ge、 Si3N4、GaAs、GaP、GaSb、 InP、GalnAsP、 TeCdHg、 SiC等。 所述基底材料的厚度範圍為80 ii m lcm。


圖1 :四光束幹涉光路示意圖，1雷射器、2、3擴束透鏡，4、5、6分束器、7、8、9、10、 11、12、13反射鏡、14、15、16中性濾光片、17帶有聚合物薄膜(光固化材料或光可降解材 料)的襯底。 圖2 : (a)利用四光束幹涉法製得的柱狀陣列的SEM圖片。(b)放大的柱狀微結構 陣列的SEM圖片，可觀察到，柱狀微結構呈現針狀結構(高度3iim，針尖直徑500nm)。 (c) 在普通白光照射下，樣品表面呈現明麗的彩色。隨著觀察角度的不同，樣品表面的顏色也不 同，可覆蓋大範圍可見光波段。六個小圖觀察角度(與水平方向夾角)分別為70° ，60° ， 50° ，40° ，30° ，20° ，顏色分別為藍與紫、紅與青、綠與紅、紅與橙、橙與綠、綠與黃。
圖3 :4iU水滴在低表面能修飾過的針狀陣列表面的運動狀況。(a)針狀陣列表 面放在樣品臺上，水滴從一個針管下來，在樣品上方。隨著樣品臺的上升，水滴逐漸接近樣 品表面，直到兩者接觸。繼續上升樣品臺，在水滴表面張力和針管的壓力作用下，水滴呈現 橢球形。緩慢下降樣品臺，由於樣品表面良好的疏水性，水滴最終可完全無殘留地脫離樣品 表面。(b)水滴在傾斜的樣品臺上的動態接觸角測試，水滴在20。傾斜的表面就滾落下來。 另外，當水滴落到已經傾斜10°的表面，它就滾下來。 圖4:不同高度的柱結構。(a)、(d)、(g)是直徑相同，微柱高度分別為300nm、liim、 1. 5ym的傾斜SEM圖片，右側圖片是左側結構的局部放大SEM圖片。右上角的附圖是該條件下的接觸角測量圖。接觸角分別為132。 ，151° ，156° 。 圖5:不同直徑的柱結構。(a)、 (c)、 (e)是高度均為1. 5 m，微柱直徑分別為 1000nm、800nm、600nm的傾斜SEM圖片。右側圖片是左側結構的局部放大SEM圖片。右上角 的附圖是該條件下的接觸角測量圖。接觸角分別為125。 ，136° ，148° 。
圖6 :通過四光束雷射幹涉和無電鍍結合的方法獲得的多層次結構。(a)表面附著 銀納米粒子的大面積針狀陣列的SEM圖片，柱的高度是3ym。 (b)放大的單個針結構的SEM 圖片。(c)進一步放大的針尖表面結構SEM圖片，可看到表面附著的銀納米粒子的直徑範圍 為20 50nm。 (d)複合結構的疏水性測試，接觸角達到163° ，比沒有Ag納米粒子柱結構 的接觸角大。 其中，圖1、2、3對應實施例1，圖1、4、5、6對應實施例2。
具體實施方式

實施例1 : (1)搭建四光束雷射幹涉系統。 圖l是四光束雷射幹涉的光路示意圖。所用雷射器為美國光譜公司提供的，三倍 頻、鎖模、摻釹釔鋁石榴石單模雷射器(Lab-Series)。四束相干雷射的產生過程如下
雷射器1發出的355nm的雷射括束後，經透鏡1和2擴束後，再經分束器3反射的 光為第一束相干光。從分束器4透射的光作為分束器5的入射光，從分束器5反射的光為 第二束相干光。第一束相干光和第二束相干光共面。從分束器5透射的光又經過分束器6， 從分束器6的反射光經過兩個反射鏡11、12把它的強度降低，再經過反射鏡13使其光束位 於前兩束相干光束的中間，作為第三束相干光。而經過分束器6的透射光再經過三個反射 鏡7、8、9把它的傳播走向抬高並降低它的強度，然後經過反射鏡10使其位於前兩束相干光 中間，作為第四束相干光。通過調節反射鏡9與反射鏡10，反射鏡12與反射鏡13使第三 束和第四束相干光共面，且與前兩束光的相干光所在平面垂直。在第一束、第三束以及第四 束相干光上都要加一個中性可變密度濾光片14、15、16，以調整光強，使四束光的強度相同。 通過測量四束光的傳播路徑長度，精細調節使四束光的光程嚴格相等，達到在時間、空間上 相干的目的。經擴束後的雷射光斑的直徑為9mm，雷射功率為100mW。利用這樣的幹涉光路 我們就可以加工出各種等間距的柱狀點陣結構。
(2)幹涉材料製備 依次用丙酮、乙醇、去離子水清洗石英片，從而獲得清潔的基底材料。 選用Norland公司銷售的N0A61光刻負膠與丙酮溶液按照1 : 1的體積比進行混
合，獲得稀釋的光刻膠。 用勻膠機分別以500、1000、3000和6000轉/分的轉速在四片蓋玻片基底上旋塗
光刻膠，所得膜厚分別為3 ii m、 1. 5 ii m、800nm和300nm。 (3)幹涉光刻使光刻膠固化，顯影后獲得柱狀陣列結構。 四束相干光照射在材料表面，曝光時間為6s。在四束相干光交疊的區域，即光強幹 涉產生周期性光強分布的區域，光刻膠發生光致聚合，由液態變為固態，使其不溶於顯影液 (丙酮溶液)，而未聚合的光刻膠可溶解在顯影液中。因此，經顯影液浸泡30s後，幹涉所得 微納結構就在基底表面顯現出來。
這樣就在不到1分鐘的光刻過程中，簡單、快捷地製備出了 600mm2的大面積規則 點陣結構。如圖l(a)、 (b)的SEM圖片所示，所得到的陣列結構均勻性好且精度高，周期 2. 5 ii m，高度3 ii m，柱尖直徑500nm。這樣，通過簡單的幹涉光刻的方法，在常溫條件下，一 步實現了增加光刻膠表面粗糙度的目的。由於空氣可填充點陣的空隙，進一步減少了液體 與基底表面的接觸面積，增大了材料的接觸角。
(4)用低表面能材料對幹涉結構表面進行修飾 利用化學氣相沉積法，在烘箱裡，加熱溫度為6(TC，標準大氣壓條件下反應2小 時，在幹涉結構的表面沉積3 10nm含氟有機物(CF3(CF2)5CH2CH2SiCl3)薄膜層。這樣，在 無需高溫的條件下，就達到了降低材料表面能的目的，進一步提高了幹涉結構表面的疏水 性能。普通柱狀微結構表面接觸角為130° ，而修飾低表面能材料後達到158。，從而降低 了表面能，增大接觸角。 經過幹涉和化學氣相沉積兩步，我們就快速製備了的超疏水表面(接觸角為 158° )。同時，由於幹涉得到的規則陣列結構本身對光的散射和衍射作用，使表面呈現肉眼 可見的鮮豔結構色。如圖2(c)所示。變換觀察角度，光線入射角改變，滿足衍射條件的衍 射波長隨之改變，使材料表面呈現顏色的變幻。色彩覆蓋範圍廣，可呈現從紫光到紅光的可 見光。這樣，在無需額外加工步驟的情況下，為超疏水表面"穿"上了色彩可變的華麗外衣， 使其在具備功能性的同時更具裝飾性。
(5)接觸角測量 所用設備為德國Dat即hysics GmbH公司提供的0CA20接觸角測量系統。為減少 隨機誤差，保證測量精度，每個樣品測量三次，以其平均值為最終接觸角測量結果。
如圖3(a)所示。水滴從注射器滑出後，升高樣品臺。隨著樣品臺的升高，水滴逐 漸接近樣品表面，最後兩者接觸。繼續升高樣品臺，由於樣品表面良好的超疏水性能，使水 滴不能在表面鋪展，在水滴表面張力和針管的壓力作用下，水滴呈現橢球形。緩慢下降樣品 臺，水滴逐漸恢復球形，值得注意的是，最終水滴毫無損耗的脫離了樣品表面，這對研究無 損傳輸有重要意義。其靜態接觸角達到158° 。 進一步，我們改變材料的傾斜角，來測試材料的動態接觸角。如圖3(b) 1-3所示， 由於檢測器和樣品臺同時傾斜，看到的材料表面始終是水平的，但是注射器的位置是不變 的，可以通過注射器針偏離豎直方向的角度來判定樣品臺傾斜角。逐漸增大樣品臺的傾斜 角，當傾斜20。時，水滴開始在材料表面滾動，即測得滾動角為20。。前進角和後退角分別 是165°和146° 。另夕卜，當水滴落到已經傾斜僅10°的表面，由於自身有個小的衝力，它就 滾下來。 可見所得表面結構有良好的超疏水性能。
實施例2 : (1)搭建幹涉光刻系統。與實施例1相同。
(2)不同厚度幹涉材料的製備。 調節勻膠機轉速，以得到不同的膜厚，從而控制最終結構的高度。當勻膠機的轉速 分別為1000轉/分、3000轉/分、6000轉/分時，所得膜厚分別為1. 5 ii m、1 ii m、300nm。
(3)幹涉光刻及顯影過程。 當結構高度發生改變時，材料的粗糙度也發生改變，疏水性能也有差異。如圖4所示，(b) 、 (e) 、 (h)是直徑相同，結構高度分別為300nm、 1 y m、 1. 5 y m的傾斜SEM圖片，測得 接觸角分別為132。 、151° 、156° 。可見，隨著微柱高度升高，接觸角逐漸增大。另外，隨 著曝光時間延長，光刻膠聚合範圍變大，所得微柱的直徑變大，增大了液體與表面的接觸面 積。因而，通過控制曝光時間，可以改變材料表面的佔空比，實現材料表面粗糙度可調的目 的。如圖5所示，(b) 、 (d) 、 (f)是高度相同，針狀結構直徑分別為1000nm、800nm、600nm的傾 斜SEM圖片，對應的曝光時間分別為30s、20s、10s，測得接觸角分別是125。 、136° 、148° 。 隨著結構直徑變小，接觸角逐漸增大。 因此，可以通過控制膜厚和曝光時間，來調節結構的高度和佔空比，改變材料表面 的粗糙度，最終達到調節疏水性能的目的。所以，用幹涉方法製備的疏水表面可通過多種參 數調節控制其性能。 (4)對幹涉所得柱狀結構進行次級結構加工。 採用無電鍍的方法，在獲得的柱狀結構表面沉積納米尺度的金屬(銀)粒子，作為 二級結構，多層次的微納複合結構，進一步減小液體與微柱尖端的接觸面積，從而增加結構 粗糙度，提高表面的疏水性。 具體做法是，將幹涉所得點陣結構在10g/l的SnCl2溶液中浸泡6分鐘進行活化 處理。在此過程中，SnCl2粒子吸附在微柱表面並生長。然後，將樣品靜置於0.05mo1/1的 Ag(NH3)2OH，P 0. 18mol/l的NaOOC (CHOH) 2COOK 4H20的混合溶液中。Ag+置換出Sn2+，並被 還原。還原出的銀單質作為生長中心，10分鐘後，在微柱表面形成20nm厚的銀納米粒子。最 後，所得結構用去離子水漂洗並乾燥。這樣，獲得了有銀納米粒子修飾的二級點陣結構。如 圖6(a)所示，沉積有銀納米粒子的表面，依然保持著幹涉所得的規則點陣形貌。由圖6(b) 局部放大的單個微柱結構，看出銀納米粒子在微柱表面沉積均勻。由圖6(c)的進一步放大 圖，可以看出銀的粒徑大約為20-50nm。
(5)低表面能修飾。與實施例1相同。
(6)接觸角測量。 由圖6(d)所示，測得接觸角為163° 。可見，引入二級微納結構，增大了接觸角的 上升空間，進一步提高了表面的超疏水性能。
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權利要求
一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方法，其步驟如下(1)搭建雷射多光束幹涉系統光源選擇為納秒脈衝雷射器或連續雷射器，產生用於紫外波段的雷射加工的光束；從雷射器發出的雷射首先經過石英透鏡擴束後，由半透半反的反射鏡分成多束強度一樣的相干雷射，再由鍍膜的反射鏡將其會聚後實現幹涉；(2)幹涉材料的製備在清潔乾淨的基底上旋塗可固化聚合物材料或者可降解聚合物材料，通過控制勻膠機的轉速或材料的濃度，控制材料的厚度；(3)幹涉光刻使可固化聚合物材料固化、或使可降解聚合物材料降解，顯影后獲得微結構陣列控制雷射幹涉光束的曝光時間、控制幹涉光與基片所在平面法線的夾角，從而在基底上得到可固化聚合物材料或可降解聚合物材料的微結構陣列，其固化線寬為100nm～20μm、佔空比為0.2～1、周期為355nm～20μm；(4)在微結構陣列上進行低表面能材料的修飾採用熱蒸發的方式，將低表面能的材料蒸發成氣體，然後吸附在前面步驟製備的微結構陣列表面，降低其表面能，進而在基底上得到利用多光束幹涉光刻技術製備的仿生彩色超疏水塗層。
2. 如權利要求1所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方 法，其特徵在於低表面能材料是氟矽烷、丙烯酸全氟乙酯、辛基硫醇、十八烷基硫醇或全氟辛基三氯甲基矽烷。
3. 如權利要求1所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方 法，其特徵在於納秒脈衝雷射器的波長範圍為200 2000nm，脈衝寬度範圍為0. 9ns 900ns，重複頻率範圍為1Hz lOKHz，單脈衝能量範圍為10pJ 1J，雷射器輸出的雷射的 強度為0 1. 5W。
4. 如權利要求1所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方 法，其特徵在於各束光的光強由位於各自光路上的中性可變密度濾光片調整。
5. 如權利要求1所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方 法，其特徵在於幹涉光束的數目為2 8束。
6. 如權利要求1所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方 法，其特徵在於可固化材料為光固化材料或熱固化材料。
7. 如權利要求1所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方 法，其特徵在於基底的厚度為80 i！ m lcm，為石英或半導體材料。
8. 如權利要求7所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方 法，其特徵在於半導體材料為Si、Ge、Si3N4、GaAs、GaP、GaSb、InP、GaInAsP、TeCdHg或SiC。
9. 如權利要求1所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方 法，其特徵在於利用刻蝕技術，以步驟(3)雷射幹涉得到的可固化材料或可降解材料的微 結構為掩膜，對基底進行刻蝕，從而獲得基底材料的微結構陣列，高度為10nm 20 ii m、佔 空比為0. 2 l，然後再在微結構上進行低表面能材料的修飾。
10. 如權利要求9所述的一種利用多光束幹涉光刻技術製備仿生彩色超疏水塗層的方法，其特徵在於刻蝕技術為反應離子刻蝕、等離子體刻蝕、反應等離子體刻蝕、離子束刻蝕 或反應離子束刻蝕。
全文摘要
本發明屬於仿生微製造技術領域，具體地說是涉及一種利用多光束幹涉光刻技術在透明聚合物材料上製備仿生彩色超疏水塗層的方法。其首先是搭建雷射多光束幹涉系統，然後在基底上旋塗可固化或者可降解的材料，通過雷射幹涉光刻使可固化材料固化、或使可降解材料降解，顯影后獲得微結構陣列；然後在微結構上進行低表面能材料的修飾，進而在基底上得到利用多光束幹涉光刻技術製備的仿生彩色超疏水塗層。本發明所述方法不僅可以避免現有製備方法的不足，同時由於其規則性結構對入射光的散射和衍射，使材料表面呈現各種彩色，起到很好的裝飾效果，促進了超疏水表面向簡單化和實用化發展。
文檔編號G03F7/16GK101727010SQ20091021794
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月3日 優先權日2009年12月3日
發明者吳東, 孫洪波, 陳岐岱 申請人:吉林大學