本發(fā)明有關(guān)一種三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，旨在提供一種可有效縮短加工時(shí)間，且所完成的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性等特性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法。

背景技術(shù)：

多孔性材料中的孔洞若其孔徑接近光波長(zhǎng)且若具有高度的排列秩序則該多孔洞材質(zhì)擁有特殊且高實(shí)用性的光學(xué)性質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于光催化、生物載體、吸附、過濾、絕緣、半導(dǎo)體以及微量感應(yīng)等領(lǐng)域。

有序多孔微結(jié)構(gòu)由于具有特定的物理結(jié)構(gòu)，因此可使光波在物質(zhì)中的電磁特性加以改變，可使得電磁波在此具有高度排列秩序的材料中的行為將有如電子在晶體中般可被介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)、排列周期、結(jié)構(gòu)形式以及介電常數(shù)所控制，因此不需要改變介質(zhì)本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，僅需在介質(zhì)的波長(zhǎng)尺度以及光子能隙進(jìn)行設(shè)計(jì)便可制造出具有不同光特性的產(chǎn)物，此種新式的人工晶體稱為光子晶體(photonic crystal)，被視為非常具有潛力的新一代光電材料。

有序多孔微結(jié)構(gòu)的基本架構(gòu)為在一維、二維、或三維上具有周期性排列的介質(zhì)所組成，其中一維的架構(gòu)即是一般所謂的光學(xué)多層膜，它被廣泛用在光學(xué)鏡片上，由周期排列的多層介質(zhì)膜造成一維的光子能隙，使某些波段的光子無法穿越，達(dá)成高效率的反射。具有二維、三維的周期性排列結(jié)構(gòu)則是目前最受到重視的有序多孔微結(jié)構(gòu)。

已知，能夠以自組裝模式制造三維有序多孔微結(jié)構(gòu)，其主要采用均一粒徑的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化硅等將粒子利用自然、離心、真空抽氣過濾法等方式將粒子于一基板上自組裝形成孔洞結(jié)構(gòu)，再以其表面具有孔洞結(jié)構(gòu)的基板為模板，于該模板上添加無機(jī)氧烷單體使其進(jìn)行溶膠凝膠反應(yīng)，最后利用鍛燒與萃取等方式將基板移除，即可生成具有光子晶體性質(zhì)的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)。

然而，用以在基板表面形成制作孔洞結(jié)構(gòu)的方法不但需耗費(fèi)數(shù)日，難以達(dá)到大量生產(chǎn)的規(guī)模，且所完成的孔洞結(jié)構(gòu)普遍出現(xiàn)粒子排列松散的現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)所完成的成品連續(xù)性及再現(xiàn)性較差，可完成的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)受限。

因此，如何能夠以相對(duì)較少的時(shí)間制作孔洞結(jié)構(gòu)，且如何讓所完成的制作孔洞結(jié)構(gòu)的粒子排列效果更為緊密、可靠，使可藉以有效縮短加工時(shí)間，并且制作連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性以及大面積的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)，一直是產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界所亟欲解決的課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題即在提供一種可有效縮短加工時(shí)間，且所完成的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性等特性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)手段如下所述。

本發(fā)明所揭露的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，基本上具有下列兩種主要施作方式。本發(fā)明第一種施作方式的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，基本上包括下列步驟：a.提供一基板；b.建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)，于該基板的表面形成由多數(shù)粒子呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)；c.建構(gòu)一犧牲層，將犧牲材料充填于該孔洞結(jié)構(gòu)與該基板之間的縫隙至預(yù)先設(shè)定的高度，使于該基板的表面與該孔洞結(jié)構(gòu)之間形成一具預(yù)先設(shè)定厚度的犧牲層；d.填覆孔洞結(jié)構(gòu)將充填材料填覆于該孔洞結(jié)構(gòu)的縫隙至預(yù)先設(shè)定的高度；e.移除孔洞結(jié)構(gòu)，待充填材料硬化定型后將孔洞結(jié)構(gòu)的全數(shù)粒子移除；完成上述a~e的步驟，即可獲得位在該基板的表面的犧牲層上方，具有光子晶體性質(zhì)且連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)。

依據(jù)上述技術(shù)特征，所述建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，將該基板置入一懸浮液中，該懸浮液中含有多數(shù)均勻懸浮、分散于該懸浮液中的粒子，且提供垂直作用于該基板的表面的附著電場(chǎng)，使該懸浮液中的粒子沉積于該基板的表面，于該附著電場(chǎng)作用預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，將該表面已沉積有預(yù)先厚度的粒子的基板自該懸浮液中移出，且在該基板的表面的粒子之間尚具備移動(dòng)條件的狀態(tài)下，于該基板外圍提供作用于該基板的塑形電場(chǎng)，由該塑形電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)該基板的表面所沉積的粒子移動(dòng)至不具備移動(dòng)條件的最緊密狀態(tài)，即可于該基板的表面形成由多數(shù)粒子呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明第二種施作方式的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，基本上包括下列步驟：a.提供一基板；b.建構(gòu)一犧牲層，于該基板的犧牲層表面形成由多數(shù)粒子呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)；d.填覆孔洞結(jié)構(gòu)將充填材料填覆于該孔洞結(jié)構(gòu)的縫隙至預(yù)先設(shè)定的高度；e.移除孔洞結(jié)構(gòu)，待充填材料硬化定型后將孔洞結(jié)構(gòu)的全數(shù)粒子移除；完成上述a~e的步驟，即可獲得位在該基板的犧牲層表面，具有光子晶體性質(zhì)且連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)。

依據(jù)上述技術(shù)特征，所述建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，將該基板置入一懸浮液中，該懸浮液中含有多數(shù)均勻懸浮、分散于該懸浮液中的粒子，且提供垂直作用于該基板的離型層表面的附著電場(chǎng)，使該懸浮液中的粒子沉積于該基板的離型層表面，于該附著電場(chǎng)作用預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，將該已于離型層表面沉積有預(yù)先厚度的粒子的基板自該懸浮液中移出，且在該基板的離型層表面的粒子之間尚具備移動(dòng)條件的狀態(tài)下，于該基板外圍提供作用于該基板的塑形電場(chǎng)，由該塑形電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)該基板的離型層表面所沉積的粒子移動(dòng)至不具備移動(dòng)條件的最緊密狀態(tài)，即可于該基板的離型層表面形成由多數(shù)粒子呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)。

依據(jù)上述技術(shù)特征，所述該三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)之前，預(yù)先于該基板的表面設(shè)有供限制粒子沉積區(qū)域的圖案。

所述該三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)步驟中，將該基板直立放置于該懸浮液的狀態(tài)下提供附著電場(chǎng)。

所述該三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)步驟中，將該基板水平放置的狀態(tài)下提供塑形電場(chǎng)。

所述該犧牲層為氧化物、高分子及金屬。

所述該充填材料為金屬、金屬氧化物或?yàn)楦叻肿泳酆衔铩?/p>

所述該犧牲層以及充填材料具有物理性質(zhì)差異或化學(xué)性質(zhì)差異。

依據(jù)上述技術(shù)特征，所述孔洞結(jié)構(gòu)至少部分有序堆疊排列。

依據(jù)上述技術(shù)特征，所述三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法進(jìn)一步包含移除犧牲層的步驟，其中移除犧牲層的步驟在移除孔洞結(jié)構(gòu)之前或移除孔洞結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行。

依據(jù)上述技術(shù)特征，所述三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)之前，預(yù)先于該犧牲層表面設(shè)有供限制粒子沉積區(qū)域的圖案。

本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果如下。

本發(fā)明所揭露的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，主要在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，于一基板表面沉積并自組裝形成由多數(shù)粒子呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)，由該基板作為模板，并利用一犧牲層使其形成無基板支撐的結(jié)構(gòu)，以制作具有連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性、大面積等特性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法基本流程圖。

圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在懸浮液中提供作用于基板的附著電場(chǎng)時(shí)的粒子沉積狀態(tài)示意圖。

圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在提供作用于基板的塑形電場(chǎng)時(shí)的粒子自組裝狀態(tài)示意圖。

圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在建構(gòu)一犧牲層步驟的狀態(tài)示意圖。

圖5為本發(fā)明第一實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在填覆孔洞結(jié)構(gòu)步驟的狀態(tài)示意圖。

圖6為本發(fā)明第一實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在移除孔洞結(jié)構(gòu)步驟的狀態(tài)示意圖。

圖7為本發(fā)明第二實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法基本流程圖。

圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在建構(gòu)一犧牲層步驟的狀態(tài)示意圖。

圖9為本發(fā)明第二實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在懸浮液中提供作用于基板的附著電場(chǎng)時(shí)的粒子沉積狀態(tài)示意圖。

圖10為本發(fā)明第二實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在提供作用于基板的塑形電場(chǎng)時(shí)的粒子自組裝狀態(tài)示意圖。

圖11為本發(fā)明第二實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在填覆孔洞結(jié)構(gòu)步驟的狀態(tài)示意圖。

圖12為本發(fā)明第二實(shí)施例的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法在移除孔洞結(jié)構(gòu)步驟的狀態(tài)示意圖。

圖號(hào)說明：

10孔洞結(jié)構(gòu)

11粒子

12縫隙

20懸浮液

30基板

40犧牲層

41犧牲材料

50三維有序多孔微結(jié)構(gòu)

51充填材料。

具體實(shí)施方式

三維有序微結(jié)構(gòu)是指將組成的顆粒進(jìn)行有序的三維排列所獲得的微結(jié)構(gòu)。在特定的情況下，三維有序微結(jié)構(gòu)可等同于孔洞結(jié)構(gòu)，例如，組成微結(jié)構(gòu)的顆粒具有高度均一的大小、形狀、化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)或表面性質(zhì)等。因此，本發(fā)明所揭露的制造方法可應(yīng)用于孔洞結(jié)構(gòu)，但不限于此。需注意者，以孔洞結(jié)構(gòu)為例，以孔洞結(jié)構(gòu)為模版所制作的反孔洞結(jié)構(gòu)亦可視為一三維有序微結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明主要提供一種可有效縮短加工時(shí)間，且所完成的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性等特性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，如圖1所示，本發(fā)明第一種施作方式的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，基本上包括：a.提供一基板、b.建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)、c.建構(gòu)一犧牲層、d.填覆孔洞結(jié)構(gòu)、e.移除孔洞結(jié)構(gòu)等步驟，請(qǐng)同時(shí)配合參照?qǐng)D1至圖5所示；其中：在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，將該基板30置入一懸浮液20中，該懸浮液20中含有多數(shù)均勻懸浮、分散于該懸浮液中的粒子11，且提供垂直作用于該基板30的表面的附著電場(chǎng)(如圖2所示)，使該懸浮液20中的粒子11以較快的速度沉積于該基板30的表面，于該附著電場(chǎng)作用預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，將該表面已沉積有預(yù)先厚度的粒子11的基板30自該懸浮液20中移出，且在該基板30的表面的粒子之間尚具備移動(dòng)條件的狀態(tài)下，于該基板30外圍提供作用于該基板30的塑形電場(chǎng)(如圖3所示)，由該塑形電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)該基板30的表面所沉積的粒子11移動(dòng)至不具備移動(dòng)條件的最緊密狀態(tài)，即可于該基板30的表面形成由多數(shù)粒子11呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)10，其中，該孔洞結(jié)構(gòu)(10)至少部分有序堆疊排列。

在建構(gòu)一犧牲層的步驟中，將犧牲材料41充填于該孔洞結(jié)構(gòu)10與該基板30之間的縫隙12至預(yù)先設(shè)定的高度(如圖4所示)，使于該基板30的表面與該孔洞結(jié)構(gòu)10之間形成一具預(yù)先設(shè)定厚度的犧牲層40；于實(shí)施時(shí)，該犧牲層40可以為氧化物、高分子及金屬等，而犧牲材料41的充填方式可以為濺鍍、電鍍、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積等。

在填覆孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，將充填材料51填覆于該孔洞結(jié)構(gòu)10的縫隙12至預(yù)先設(shè)定的高度(如圖5所示)；于實(shí)施時(shí)，該充填材料51可以為金屬(例如金、銀、銅、鎳等)、金屬氧化物(例如氧化鋅)或?yàn)楦叻肿泳酆衔铮覡奚牧弦约俺涮畈牧暇哂形锢硇再|(zhì)差異或化學(xué)性質(zhì)差異，例如熔點(diǎn)、酸堿可溶性等；而充填材料51的填覆方式可以為濺鍍、電鍍、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積等。

在移除孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，待充填材料51硬化定型后將孔洞結(jié)構(gòu)10的全數(shù)粒子11移除(如圖6所示)，其中移除方式可以為化學(xué)移除法、高溫移除法等；在上揭圖1至圖6所示的實(shí)施例中，完成上述a~e的步驟，即可獲得位在該基板30的表面的犧牲層40上方，具有光子晶體性質(zhì)且連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)50。

于使用時(shí)，只需將犧牲層40移除即可將三維有序多孔微結(jié)構(gòu)50與基板30脫離，以便直接將三維有序多孔微結(jié)構(gòu)50應(yīng)用需的領(lǐng)域，其中移除犧牲層40的步驟在移除孔洞結(jié)構(gòu)10之前或移除孔洞結(jié)構(gòu)10之后進(jìn)行均可；抑或是，將其他晶體材料填入三維有序多孔微結(jié)構(gòu)的孔洞中，待晶體材料硬化定型后，再將三維有序多孔微結(jié)構(gòu)移除，即可進(jìn)一步制造具備預(yù)先設(shè)定功能的三維有序微結(jié)構(gòu)。

尤其，在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，可由附著電場(chǎng)與粒子之間的作用力，令粒子快能夠以較快的速度沉積于基板表面，以及在后續(xù)塑形電場(chǎng)的作用下，令沉積基板表面的粒子彼此推擠并自組裝形成由多數(shù)粒子呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)；從而可有效縮短整體三維有序多孔微結(jié)構(gòu)的制作時(shí)間，以及獲致具有連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性等特性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)，甚至有利于制作大面積的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)。

再者，本發(fā)明的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)之前，可預(yù)先于該基板的表面設(shè)有供限制粒子沉積區(qū)域的圖案；以及，在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)步驟中，可將該基板直立放置于該懸浮液的狀態(tài)下提供附著電場(chǎng)；在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)步驟中，則可將該基板水平放置的狀態(tài)下提供塑形電場(chǎng)。

如圖7所示，本發(fā)明第二種施作方式的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，基本上包括：a.提供一基板、b.建構(gòu)一犧牲層、c.建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)、d.填覆孔洞結(jié)構(gòu)、e.移除孔洞結(jié)構(gòu)等步驟，請(qǐng)同時(shí)配合參照?qǐng)D7至圖12所示；其中：在建構(gòu)一犧牲層的步驟中，于該基板30其中一表面設(shè)有一預(yù)先設(shè)定厚度的犧牲層40(如圖8所示)；于實(shí)施時(shí)，該犧牲層40可以為氧化物、高分子及金屬等，而犧牲層40的建構(gòu)方式可以為濺鍍、電鍍、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積等。

在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，將該基板30置入一懸浮液20中，該懸浮液20中含有多數(shù)均勻懸浮、分散于該懸浮液中的粒子11，且提供垂直作用于該基板30的犧牲層40表面的附著電場(chǎng)(如圖9所示)，使該懸浮液20中的粒子11沉積于該基板30的犧牲層40表面，于該附著電場(chǎng)作用預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，將該已于犧牲層40表面沉積有預(yù)先厚度的粒子11的基板30自該懸浮液20中移出，且在該基板30的犧牲層40表面的粒子11之間尚具備移動(dòng)條件的狀態(tài)下，于該基板30外圍提供作用于該基板30的塑形電場(chǎng)(如圖10所示)，由該塑形電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)該基板30的犧牲層40表面所沉積的粒子11移動(dòng)至不具備移動(dòng)條件的最緊密狀態(tài)，即可于該基板30的犧牲層40表面形成由多數(shù)粒子11呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)10。

在填覆孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，將充填材料51填覆于該孔洞結(jié)構(gòu)10的縫隙12至預(yù)先設(shè)定的高度(如圖11所示)；同樣的，該充填材料51可以為金屬(例如金、銀、銅、鎳等)、金屬氧化物(例如氧化鋅)或?yàn)楦叻肿泳酆衔铩?/p>

在移除孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，待充填材料51硬化定型后將孔洞結(jié)構(gòu)10的全數(shù)粒子11移除(如圖12所示)，其中移除方式可以為化學(xué)移除法、高溫移除法等；在上揭圖7至圖12所示的實(shí)施例中，完成上述a~e的步驟，即可獲得位在該基板30的犧牲層40表面，具有光子晶體性質(zhì)且連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)50。

同樣的，只需將犧牲層40移除即可將三維有序多孔微結(jié)構(gòu)50與基板30脫離，以便直接將三維有序多孔微結(jié)構(gòu)50應(yīng)用需的領(lǐng)域；抑或是，將其他晶體材料填入三維有序多孔微結(jié)構(gòu)的孔洞中，待晶體材料硬化定型后，再將三維有序多孔微結(jié)構(gòu)移除，即可進(jìn)一步制造具備預(yù)先設(shè)定功能的三維有序微結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，同樣可在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)之前，預(yù)先于該基板的表面設(shè)有供限制粒子沉積區(qū)域的圖案，抑或者可在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)之前，預(yù)先于該犧牲層表面設(shè)有供限制粒子沉積區(qū)域的圖案；以及，在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)步驟中，可將該基板直立放置于該懸浮液的狀態(tài)下提供附著電場(chǎng)；在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)步驟中，則可將該基板水平放置的狀態(tài)下提供塑形電場(chǎng)。

另外，上述第一種施作方式及第二種施作方式中建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)的步驟，亦可利用自然重力沉降、離心、真空抽氣過濾法或電泳等其中一種方式于該基板表面形成由多數(shù)粒子呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)習(xí)用結(jié)構(gòu)相較，本發(fā)明所揭露的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)制造方法，主要在建構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)的步驟中，可由附著電場(chǎng)與粒子之間的作用力，令粒子快能夠以較快的速度沉積于基板表面，以及在后續(xù)塑形電場(chǎng)的作用下，令沉積基板表面的粒子彼此推擠并自組裝形成由多數(shù)粒子呈六方堆疊的孔洞結(jié)構(gòu)。從而可有效縮短整體三維有序多孔微結(jié)構(gòu)的制作時(shí)間，以及有助于獲致具有連續(xù)性佳、高再現(xiàn)性、大面積等特性的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)；甚至，有助于進(jìn)一步利用所完成的三維有序多孔微結(jié)構(gòu)，制作粒子排列效果相對(duì)較更緊密、可靠的三維有序微結(jié)構(gòu)。