[发明专利]一种表面集成碳纳米结构的碳微结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳微机电技术领域，具体涉及一种表面集成碳纳米结构的碳微结构及其制备方法。

背景技术

近年来碳材料应用于微机电系统已引起了国内外众多学者的关注。碳是自然界中一种十分常见又具有特殊意义的元素，金刚石、石墨、焦碳、玻璃碳等三维碳结构，以及具有特殊结构的巴基球(C60)，倍受关注的一维碳结构碳纳米管、碳纳米纤维等，以及近年来倍受关注的二维碳结构石墨烯等等均是碳的存在形式。碳材料的优势是显著的，它比硅具有更完美的晶格结构、较宽的电化学稳定窗口、化学惰性、良好的生物兼容性和导电导热性，这些特点使得碳材料被广泛应用于物理学、化学、机械学、热学、以及电子学领域。

碳材料微结构的制备起源于石油化学领域，是通过对有机气体进行高温热处理来生成碳材料；也有人使用聚焦离子束、反应离子刻蚀技术等先进工艺来制备碳结构，但这种方法既费时又昂贵。近来，一些非传统的碳结构的微制造方法已被报道。G.M.Whitesides等人在“Fabrication and Characterization of Glassy Carbon MEMS”一文(Chemistry of Materials，1997，Vol.9：1399-1406)报道了用软光刻的方法制备出了玻璃碳，他们将树脂材料(如：糠醇)在橡胶微模型里进行造型，接着将其放入惰性气氛中加热(500～1100℃)，可使之转变为玻璃碳。但这种方法仍然存在流程复杂、成本高的缺点，限制了其发展前景。

在碳纳米结构的制备方法中，化学气相沉积具有成本低、操作相对简单、可大批量制造的特点。用碳氢化合物气体在催化剂条件下，可以沉积生长碳纳米结构。其中所用的催化剂通常选用金属，如铁、钼、镍等都是常用的金属，而铜通常被认为是一各非常弱的催化剂，甚至对被认为对其它催化剂具有毒性(A Two-Stage Mechanism of Bimetallic Catalyzed Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes，Nano Letters，2004，Vol.4：2331-2335)。

对微电极而言，它的表面要进行电化学反应，所以大表面积或高比表面积的电极会带来器件性能的提升。在微制造方法中，光刻、电铸和注塑工艺(LIGA)可以成功的高深宽比三维结构。由该技术所制得的三维结构器件侧壁陡峭、表面平整，厚度可达几百至上千微米，但是其所需要的同步辐射光源和特制的掩膜版十分昂贵。

目前出现了一系列成本较低的替代LIGA的工艺，例如使用高黏度的SU-8光刻胶制作高深宽比的微结构，见Lorenz H等人的论文“High-aspect-ratio，ultrathick，negative-tone near-UV photoresist and its application for MEMS”，(Sensors and Actuators，1998，Vol.64：33-39)。理论上SU-8光刻胶可制得深宽比20以上的微结构。除此之外，SU-8光刻胶还具有优越的性能，它不仅有良好的力学机械性能和光可塑性，还具有较好的抗腐蚀性、热稳定性。已有研究表明，光刻胶热解过程中会释放碳氢化合物等多种气体，将光刻胶高温热解后得到的碳膜，其性质与玻璃碳相似，具有生物兼容性，同时其制备方法简便、造价低，在包括微电池、生物微芯片、微电化学传感器等以电极起决定作用的微型器件上有着十分广泛的应用前景。

对使用SU-8光刻胶而言，随着微结构深宽比的增大，微结构与基片间的脱层更易发生，微结构不易在后续工艺中保持结构形状。光刻工艺中，容易造成微结构不稳定的工艺步骤主要是显影操作和烘烤过程中的热应力。由于胶层厚度可达数百微米，曝光不足会造成显影时在微结构与基片相连的根部发生过蚀现象，这将导致微结构与基片的附着面和附着力减小。另外，基片与光刻胶的热膨胀系数的差异，会使在温度变化中光刻胶产生热应力，导致微结构发生翘曲变形而与基片脱离。可以看出，为防止微结构保持结构形状，提高其与基片间的附着力是必要的。常用的方法是使用化学增粘剂来增加粘附力。但化学增粘剂只能保证器件在短时间内跟基片能有效粘附，而不能保证器件在长期使用后与基片还有足够的粘附力。

发明内容

本发明提供一种表面集成碳纳米结构的碳微结构及其制备方法，从而使碳微结构具有更大的比表面积，更好地用于电化学系统作为反应电极。

本发明的一种在表面集成碳纳米结构的碳微结构的制备方法，其步骤包括：

(1)预处理及光刻步骤，得到图案化的有机聚合物微结构；