本发明专利技术提出一种借助金属纳米颗粒缩小自卷曲微米管直径的方法，包括步骤：在衬底上，或在虚拟衬底上沉积缓冲层；在缓冲层上沉积牺牲层；在牺牲层上沉积应变薄膜；进行第一次光刻和腐蚀，使应变薄膜形成台面，使牺牲层暴露出来；进行第二次光刻，利用光刻胶形成图形窗口；沉积金属薄膜，高温退火使得金属薄膜形成金属纳米颗粒；对牺牲层进行侧向腐蚀，使得表面覆盖有金属纳米颗粒的应变薄膜自卷曲成管。本发明专利技术可在不改变薄膜厚度和应变下，仅借助金属纳米颗粒就能显著缩小自卷曲微米管的直径，可以容易地制备出直径在1微米附近的自卷曲微米管，甚至直径低至几百纳米的纳米管及其规则阵列，同时可保证微米管或纳米管具有优良的机械特性和结构特性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种微米管材料及其制备方法，属于微纳材料与微纳器件领域。
技术介绍
采用微纳自卷曲技术制备的自卷曲微米管与纳米管作为一种特殊的三维(3D)微纳功能结构，具有中空通道、与衬底脱离悬空及其尺寸、形貌可控等结构特性，非常容易与功能材料(如量子阱/量子点、金属纳米颗粒、发光染料)结合，因此在微纳机电系统(MEMS/NEMS)、光学谐振腔、生物医学传感以及微流控等领域中具有广阔的应用前景，自然引起了各国学者的广泛关注和极大的研宄兴趣。利用微纳自卷曲技术(即结合“自下而上”生长技术和“自上而下”的光刻腐蚀技术)制备纳米管和微米管的工作最早可以追溯到2000年，当时俄罗斯科学院V.Ya.Prinz利用总厚度仅几个单原子层(ML，monolayer)的超薄InAs/GaAs和InGaAs/GaAs应变薄膜，首次在GaAs和InP上分别制备出了 InGaAs/GaAs自卷曲纳米管，管的圈数为十几圈到几十圈(V.Y.Prinz et al., “Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays”，Physica E, 6(2000)828-831)。随后，在2001年德国莱布尼茨固态和材料研宄所(IFW Dresden)的0.G.Schmidt在Si上利用类似方法制备出了 SiGe/Si自卷曲纳米管(纳米管直径为530nm，长度20μπι)，研宄成果发表在《Nature》上(0.G.Schmidt, K.Eberl, “Thin solid films roll upinto nanotubes”，Nature, 410 (2001) 168)。伴随自卷曲纳米管研宄工作的展开，自卷曲微米管研宄也逐渐兴起。相比自卷曲纳米管，自卷曲微米管更容易制备且机械性能更优。德国汉堡大学T.Kipp小组陆续报道了 GaAs基内嵌量子阱、量子点增益介质的InGaAs/GaAs自卷曲微米管并用它们制成光学谐振腔，微米管5 μπι左右(T.Kipp etal., “Optical Modes in Semiconductor Microtube Ring Resonators”，Phy.Rev.Lett., 96(2006)077403 ；Ch.Strelow et al., “Three dimens1nally confined opticalmodes in quantum-well microtube ring resonators，，，Phy.Rew.B, 76 (2007) 045303)。德国0.G.Schmidt小组制备出了直径为1-12 μ m、管壁透明的Si0/Si02微米管，并通过注入发光染料(如Rhodamine 6G)测试到回音壁模式，该微米管在微流体传感中有着重要的应用前景(Stefan Μ.Harazim, et al., “Fabricat1n and applicat1ns oflarge arrays of multifunct1nal rolled-up Si0/Si02 microtubes，，，J.Mater.Chem.，22(2012)2878-2884)。然而，随着微纳技术的不断发展，研宄人员越来越希望将多个具有特定功能的分立器件集成在一个微小芯片上，制成“芯片实验室”(Lab-on-a-chip)。为此，作为一种非常重要的器件功能单元一自卷曲微米管需要在保证其良好机械性能的前提下进一步缩小尺寸，尽可能提高长宽比(即微米管长度与直径的比值)。尽管大量文献已报道了基于不同材料的自卷曲微米管，但是制备Lab-on-a-chip等特定应用所需的管壁较厚、管径很小(接近Iym甚至是几百nm)、较长(10ymWl)自卷曲微米管甚至是纳米管仍存在很大难度。早在1997年，英国剑桥大学的Tsui和Clyne 二人就提出了用于分析薄膜内部应力与其最终卷曲后曲率半径之间对应关系的宏观连续机械模型(macroscopiccontinuous mechanical model)，微米管领域的研宄人员广泛采用该模型来估计特定结构的应变薄膜自卷曲形成微米管的直径(Y.C.Tsui et al., “An analytical model forpredicting residual stresses in progressively deposited coatings—part 1:Planargeometry”，Thin Solid Films, 306 (1997) 23-33)。从该理论分析模型可以清楚得知:减小自卷曲微米管的直径需要减小应变薄膜厚度、增大薄膜应力或者二者同时采用。早期Prinz和Schmidt等人制备自卷曲纳米管就是借鉴了该原理。此外，2008年美国伊利诺伊大学Xiuling Li小组也通过减小应变层厚度以及提高应变实现了管壁厚1nm左右的GaAs基Ina3Gaa7As/GaAs纳米管的制备(通常制备GaAs基InGaAs/GaAs自卷曲微米管要选用In0.2Ga0.8As/GaAs应变双层薄膜，管壁总厚度控制30_50nm)，其中纳米管直径590nm、长度仅50 μ m、长宽比达到了 85 (Xiuling Li, “Strain induced semiconductor nanotubes: fromformat1n process to device applicat1ns，，，J.Phys.D:Appl.Phys.41 (2008) 193001)。不难看出，尽管自2000年起已有多篇文献报道利用减小应变薄膜厚度及提高薄膜应变的方法制备出自卷曲纳米管以及管径显著缩小的自卷曲微米管(管径从5 μπι缩向Iμπι)，但仍普遍存在自卷曲管的长度偏短(管易弯曲变形、易断裂等所致)、应变薄膜很薄甚至超薄从而导致管壁起伏且易破碎等问题，因此很难满足器件制备的要求。而且，具有超高应变的超薄薄膜的赝形生长和湿法腐蚀工艺仍面临巨大技术挑战。譬如，Prinz制备纳米管时采用InAs或InxGahAs (χ = 0.6，0.8)超高应变薄膜，同时将薄膜厚度降至仅几个单原子层，这样即便用分子束外延(MBE)生长也需要精确控制薄膜厚度使其不能超过临界厚度而转向S-K模式成岛；同时还需要应变薄膜自卷曲成多圈管以增强管壁总厚度和机械强度。综上所述，通过改变应变薄膜内部应力的传统方法缩小自卷曲微米管直径甚至制备自卷曲纳米管的效果都不尽理想。鉴于此，探索简便易行、普遍适用、可控性好的缩小自卷曲微米管直径甚至是制备自卷曲纳米管的外加方式，对于实现面向微流控、芯片实验室、Si基光子学等应用具有极为重要的意义。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本专利技术提出了一种借助金属纳米颗粒缩小自卷曲微米管直径的方法，要解决的问题是:在现有自卷曲制备工艺的基础上，如何通过外加应力的方式有效地缩小自卷曲微米管的直径，甚至将直径缩小至几百纳米量级，同时又能保证自卷曲管状结构具有良好的机械特性，从而满足微流控、芯片实验室、Si基光子学等应用的要求。本专利技术的另一目的是提出所述方法制得的自卷曲微米管或自卷本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种借助金属纳米颗粒缩小自卷曲微米管直径的方法，其特征在于，包括步骤：S1：在衬底上、或在已沉积了异变外延层的虚拟衬底上沉积缓冲层；S2：在缓冲层上沉积牺牲层；S3：在牺牲层上沉积应变薄膜，得到外延片；S4：对外延片进行第一次光刻和腐蚀，使应变薄膜形成具有几何形状的台面，并使腐蚀掉应变薄膜处的牺牲层暴露出来；S5：对外延片进行第二次光刻，用光刻胶在外延片上形成与S4步骤中台面形状一样的图形窗口，使图形窗口内的应变薄膜没有被光刻胶覆盖；S6：沉积金属薄膜，并用带胶剥离方法去除图形窗口外的光刻胶和金属；S7：高温退火使得金属薄膜形成金属纳米颗粒；S8：用选择性腐蚀液对牺牲层进行侧向腐蚀，逐渐将牺牲层腐蚀掉，使得表面覆盖有金属纳米颗粒的应变薄膜从衬底或虚拟衬底上释放，并最终自卷曲成管。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，高云霞，潘志洪，任晓敏，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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