[发明专利]独立自支撑膜的制造及其在纳米颗粒图案合成中的应用

说明书

领域

本发明涉及制造具有开孔结构的独立式膜的方法以及应用该膜合成纳米颗粒图案。

背景

具有均匀尺寸分布和规则几何形状的多孔膜是非常理想的，这是由于与诸如过滤、模板(template)合成和催化反应等应用中的常规膜相比具有无可比拟的卓越性能。现有技术包括径迹蚀刻膜(track-etched membranes)、阳极氧化铝膜、模板复制成型高分子膜、嵌入颗粒溶解膜以及直接光刻微加工膜，这些已有制造方法不能得到令人满意的特征。光刻法可以在基底上制作图案化有序的多孔膜，这是光刻技术的性质。然而，在之前的光刻法中，膜不易与基底分离，因此需要额外的牺牲层辅助。不仅增加了成本和制造方法的复杂度，而且当在腐蚀溶液中或通过横向各向同性刻蚀溶解牺牲层时，这种方法生产的膜容易受到损害。

通过轰击和湿法蚀刻制备的市售径迹蚀刻膜(Nuclepore，Poretics，Osmonics和Millipore)的缺陷很难对孔的形貌和尺寸进行很好的控制。除如上所述的昂贵的光刻方法以外，用已知方法制备的一般多孔膜的缺陷为意味着所有方向上的孔尺寸变化很大，即变异系数(CV)较大、膜厚度上倾斜的壁、孔与孔之间孔直径的变化较大等等，使得该具有很差CV的膜不能用于精确的分析应用。

阳极氧化铝(Whatman Anapore和Anotech Separation)膜具备更廉价和形貌更好的特征，成为径迹蚀刻膜的替代品，但是涉及危险试剂处理。在实验室，反应性离子蚀刻(RIE)通过相对复杂的三个步骤实现均匀孔膜加工：汽相淀积、光刻和RIE来制造独立式穿孔膜。此外，软光刻技术提供了一种在含有微柱(micropost)阵列的基底上旋涂一薄层液体预聚物的简单方法。然而，微柱周围液体预聚物的表面张力导致膜的表面不平。

因此，具有低变异系数和高品质的独立式开孔膜具有无可比拟的优势。其中，高质量、均匀的孔分布且膜厚度方向孔径具有良好的一致性。最终，提供了一种很有用的开孔形状和形貌可被严格控制和调整的形状选择性多孔膜的加工技术方法。

概述

本文公开了一套仅使用常规光刻技术生产具有自定义图形分布孔阵列的独立自分离膜的一步式光刻技术流程。通过控制光致抗蚀剂层的UV剂量(强度)和曝光时间，可以在光致抗蚀剂层中脱离形成独立自支撑膜，其中光致抗蚀剂曝光部分不附着于基底上。光致抗蚀剂交联部分形成可反映所使用掩模版清晰图案的膜主体，而与基底表面相邻的光致抗蚀剂层未交联部分在显影的过程中溶解。该机理使得膜易于与基底分离。因为UV剂量受控，可以通过调节光致抗蚀剂中交联发生的深度调控膜的厚度。该方法可以应用于任何可选的光敏感材料，并基于某种期望的材料性能，诸如疏水性、弹性和表面功能化，对其进行选择。

这种具有均匀孔尺寸、形状及有序孔分布的多孔膜是非常理想的，这是由于其与过滤、模板合成和催化反应等应用中的常规膜相比具有无与伦比的卓越性能。与常规膜的15％-20％的CV值相比，使用本发明方法制备的膜的孔尺寸变异系数仅为0.15％。使用这种方法可以在多种基底上生产具有特定的尺寸和形状的开孔滤膜。重要的是，由于自分离机理，该膜平整并且没有残留应力和形变。

与大多数膜仅基于尺寸进行过滤相比，由于该膜对孔形状的精确控制，其能够以形状进行过滤。总的来说，该简单的一步式光刻法制膜技术可以满足过滤、分离、筛选以及甚至如通过形状分离等广泛应用的高性能膜生产需求。

公开了一种具有均匀孔尺寸和孔形状以及有序孔分布的独立式自支撑开孔膜的制造方法以及其合成纳米颗粒图案应用中的实施方案。

以下提供了使用负性光致抗蚀剂制造独立自支撑聚合物膜的方法，其包括以下步骤：

a)提供具有上表面的基底并且将负性光致抗蚀剂层涂覆于所述基底的上表面；

b)将所述光致抗蚀剂层加热一个时间段；

c)通过具有预设图案的掩模版将所述光致抗蚀剂层表面曝光于紫外线辐射，控制所述紫外线辐射强度及曝光时间，以便所述光致抗蚀剂层的顶部比与所述基底的上表面紧邻的光致抗蚀剂层的底部吸收了更多的紫外辐射剂量，从而实现更高强度的交联，最终在所述光致抗蚀剂层的厚度内产生交联梯度；

d)将所述掩模版去除；

e)将所述光致抗蚀剂层再加热一个时间段；以及

f)将所述基底和光致抗蚀剂浸入显影剂溶液，所述膜与所述基底的上表面自然分离，以形成具有反映所述掩模版图案的独立式多孔膜。

以下还提供了使用正性光致抗蚀剂制造独立式聚合物多孔膜的方法，其包括以下步骤：