专利摘要

本发明公开了一种用于控制液滴形状的薄膜及其制备方法与应用。所述用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，包括：提供衬底；在所述衬底上沉积钛金属层；采用激光直写技术在所述钛金属层上刻写图案，得到图案化的钛金属层；对所述图案化的钛金属层进行湿法刻蚀，得到具有悬切结构的薄膜。本发明所制备的用于控制液滴形状的薄膜上形成有带有尖锐边缘的悬切结构，对液体具有强钉扎效应，从而提高微液滴形状稳健性。

权利要求

1.一种用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上沉积钛金属层；

采用激光直写技术在所述钛金属层上刻写图案，得到图案化的钛金属层；对所述图案化的钛金属层进行湿法刻蚀，得到具有悬切结构的薄膜。

2.根据权利要求1所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为玻璃片。

3.根据权利要求1所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其特征在于，所述沉积钛金属层的沉积工艺包括磁控溅射法，离子溅射法、电子束蒸发法、热蒸镀法、激光脉冲法中的一种。

4.根据权利要求1所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其特征在于，所述钛金属层的厚度为20-200nm。

5.根据权利要求1所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其特征在于，所述图案包括圆形、椭圆形、梯形、五边形、六边形、矩形、三角形中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其特征在于，所述激光直写技术的刻写参数为：激光功率1-10mW；激光脉宽0.1-10ms。

7.根据权利要求1所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其特征在于，所述湿法刻蚀所采用的刻蚀液为质量分数为5-7％的氟化氢溶液。

8.根据权利要求1所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的时间为30-120min。

9.一种用于控制液滴形状的薄膜，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述用于控制液滴形状的薄膜的制备方法制备得到。

10.一种如权利要求9所述用于控制液滴形状的薄膜的应用，其特征在于，所述用于控制液滴形状的薄膜用于控制包括水、乙二醇、十六烷中的一种或多种液滴的形状。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种用于控制液滴形状的薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

通常所见的液滴的形状一般是肉眼可见的毫米级，接近球形，并且液滴越小，形状就越接近球形。因为液体表面层具有表面张力，在表面张力的作用下，液面有收缩的趋势，在体积相同的各种形状的物体中，球形物体的表面积最小，所以液滴呈球形。因而要控制液滴的形状，尤其是微型液滴的形状，得到其他形状如三角形、正方形等的液滴，就比较困难。

随着微流控技术的发展，微液滴形状操控技术在基于液滴的印刷技术、蛋白质或DNA检测、制造LED显示器等方面有非常广泛的应用前景。目前，大多采用加工制备亲疏水复合图案，从而实现控制液滴的形状。然而，现有技术中二维的亲疏水复合图案在针对液滴的形状控制方面，存在边界处液体容易溢出、边界溢出性控制不好等关键技术瓶颈。在液滴微流控制、生物医学中的液滴形状控制等应用中，边界处的液体崩塌和溢出将是最具破坏性的，因此抑制液体在非目标方向扩散，防止边界溢出是目前液滴形状控制领域的关键问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于控制液滴形状的薄膜及其制备方法与应用，旨在解决如何提高制备得到薄膜对液滴形状控制的稳健性。

一种用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，包括：

提供衬底；

在所述衬底上沉积钛金属层；

采用激光直写技术在所述钛金属层上刻写图案，得到图案化的钛金属层；

对所述图案化的钛金属层进行湿法刻蚀，得到具有悬切结构的薄膜。

所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，所述衬底为玻璃片。

所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，所述沉积钛金属层的沉积工艺包括磁控溅射法，离子溅射法、电子束蒸发法、热蒸镀法、激光脉冲法中的一种。

所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，所述钛金属层的厚度为20-200nm。

所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，所述图案包括圆形、椭圆形、梯形、五边形、六边形、矩形、三角形中的一种或多种。

所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，所述激光直写技术的刻写参数为：激光功率1-10mW；激光脉宽0.1-10ms。

所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，所述湿法刻蚀所采用的刻蚀液为质量分数为5-7％的氟化氢溶液。

所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，所述湿法刻蚀的时间为30-120min。

一种用于控制液滴形状的薄膜，其中，采用如上所述用于控制液滴形状的薄膜的制备方法制备得到。

一种如上所述用于控制液滴形状的薄膜的应用，其中，所述用于控制液滴形状的薄膜用于控制包括水、乙二醇、十六烷中的一种或多种液滴的形状。

有益效果：本发明通过激光直写技术直接在钛金属层上预加工各种形状图案，然后再通过后续湿法刻蚀得到用于控制液滴形状的薄膜。所制备的用于控制液滴形状的薄膜上形成有带有尖锐边缘的悬切结构，对液体具有强钉扎效应，从而提高微液滴形状的稳健性，能够有效抑制液体在非目标方向扩散，防止边界溢出。而且，本发明所述用于控制液滴形状的薄膜的制备方法在整个加工过程不需要掩模，工艺十分简单、方便。

附图说明

图1为本发明所述的用于控制液滴形状的薄膜的SEM图。

图2为本发明所述的用于控制液滴形状的薄膜的结构示意图。

其中，1-衬底；2-钛金属层；3-二氧化钛层。

具体实施方式

本发明提供一种用于控制液滴形状的薄膜及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种用于控制液滴形状的薄膜的制备方法，其中，包括：

S100、提供衬底；

S200、在所述衬底上沉积钛金属层；

S300、采用激光直写技术在所述钛金属层上刻写图案，得到图案化的钛金属层；

S400、对所述图案化的钛金属层进行湿法刻蚀，得到具有悬切结构的薄膜。

激光直写技术具有加工分辨率高、灵活性好的特点，基于激光直写技术能够在底层材料各种图案，能够加工出更密集和更精准的图案，实现对纳升液滴的各种形状的精准操控。

本发明通过激光直写技术直接在金属钛金属层上预加工各种形状图案，然后再通过后续湿法刻蚀得到用于控制液滴形状的薄膜，所述用于控制液滴形状的薄膜上形成有带有尖锐边缘的悬切结构，对液体具有强钉扎效应，从而对微液滴形状的操控更加稳健，能够有效抑制液体在非目标方向扩散，防止边界溢出。而且，本发明所述的用于控制液滴形状的薄膜的制备方法在整个加工过程不需要掩模，工艺十分简单、方便。

本发明中所述用于控制液滴形状的薄膜是带有尖锐边缘的悬切结构，会展现对液体的显著的各向异性，悬切边缘的强钉扎作用会抑制液滴在垂直方向铺展，并且液滴更易于沿着平行边缘的方向润湿。

在激光直写过程中，钛金属层将吸收的激光束能量转化为热能并引起钛金属层对应的表面氧化，因此会在钛金属层表面产生钛金属氧化物(二氧化钛)图案结构，即得到图案化的钛金属层。根据激光扫描区域产生的二氧化钛与金属钛在氟化氢稀释溶液中的刻蚀速率显著不同，也就是说，激光扫描区域形成的二氧化钛具有良好的抗刻蚀性，而钛金属层能很快被刻蚀液腐蚀。基于此使用湿法刻蚀技术，对图案化的钛金属层进行刻蚀，从而获得带有尖锐边缘的形状图案结构，即制备得到所述用于控制液滴形状的薄膜。

理论上任意形状的图案都可以通过激光直写技术在钛金属层上加工获得。本发明所述制备方法的优越性：图案的尺寸的精确可控与形状的任意可设计性。

所述S100中，本发明所述衬底用于沉积钛金属氧化物。可选地，所述衬底为硅衬底、碳化硅衬底等。

可选的，本发明所述衬底是可在刻蚀液中腐蚀的基底。刻蚀液完成对钛金属层的刻蚀后，会进一步对衬底进行刻蚀，通过控制刻蚀时间，即可得到具有悬梁结构(悬臂结构或悬切结构)的用于控制液滴形状的薄膜。在本发明的一个实施方式中，所述衬底为玻璃片。控制湿法刻蚀过程，玻璃衬底也可以被氟化氢的稀释腐蚀，进而形成悬梁结构。可见，在刻蚀过程中，所述玻璃片作为衬底可以提高刻蚀深度，更有利于形成悬切结构。所述玻璃片衬底尤其适合应用于钛金属层厚度不厚的情况下，达到提高刻蚀深度的目的。

所述S200中，本发明中的沉积工艺其目的是在基底上制备一层钛金属层，在本发明的一个实施方式中，所述沉积钛金属层的沉积工艺包括磁控溅射法，离子溅射法、电子束蒸发法、热蒸镀法、激光脉冲法中的一种。

在本发明的一个实施方式中，所述钛金属层的厚度为20-200nm。通过实验表明，所述钛金属层的厚度不宜低于20nm，会在一定程度上增加刻蚀液刻蚀的难度，而所述钛金属层的厚度超过200nm，则会增加刻蚀时间以及造成钛金属的浪费。

所述S300中，通过所述激光直写技术在钛金属层上进行激光扫描，激光扫描区域产生热量，从而使钛金属氧化形成的二氧化钛图案。可以理解的是，采用所述激光直写技术在钛金属层进行刻写图案，所述图案实际是具有一定厚度的二氧化钛层。且由于二氧化钛层是激光扫描氧化形成，因此，二氧化钛层表面的氧化效果要好于二氧化钛层表面以下的部分，具体表现在所述二氧化钛层呈现出上表面宽度宽于二氧化钛层下底面的宽度，从而使制备得到悬切结构表现出尖锐的边缘。

本发明所述图案是对液滴具有各向异性的图案，即通过所述图案可以制备得到对液滴具有各向异性的结构，从而达到控制液滴形状的目的。在本发明的一个实施方式中，所述图案包括圆形、椭圆形、梯形、五边形、六边形、矩形、三角形中的一种或多种。此外，所述图案还可以包括不对称图形，例如所述图案为缺失拐角的梯形、五边形、六边形、矩形、三角形或斑块。可选地，所述图案可以由圆形、椭圆形、梯形、五边形、六边形、矩形、三角形中的一种或多种进行重复排列的阵列图案，例如多个矩形等间距分布的图案。举例地，在玻璃衬底上采用电子束蒸发镀膜的方式，沉积一层金属钛金属层(Ti薄膜)，激光在钛金属层表面加工出不同的各向异性图案，比如正方形、长方形、椭圆形、五边形、六边形等。

在本发明的一个实施方式中，所述激光直写技术的加工分辨率为100-500nm，基本满足制备各种用于控制液滴形状的薄膜的要求。可选地，所述激光直写技术的加工分辨率为200nm、300nm、400nm中的一种。

在本发明的一个实施方式中，所述激光直写技术的刻写参数为：激光功率1-10mW；激光脉宽0.1-10ms。可选地，所述激光直写技术的刻写参数为：激光功率6mW；激光脉宽1ms。试验表明，在上述条件下，能够成功地在钛金属层表面刻写一层二氧化钛图案，而且所述二氧化钛层具有一定厚度，保证之后刻蚀能够形成具有尖锐边缘的用于控制液滴形状的薄膜。可选地，所述二氧化钛层的厚度为10-30nm。

本发明所述刻蚀液的目的是对钛金属金属进行刻蚀，而无法刻蚀表面的二氧化钛金属氧化物，从而形成下窄上宽的悬切结构(上表面宽于下底面)。在本发明的一个实施方式中，所述湿法刻蚀所采用的刻蚀液为氟化氢溶液(HF溶液)。可见，本发明所述刻蚀液是一种能够对钛金属和二氧化钛具有选择性刻蚀的刻蚀液，并不限于所述氟化氢溶液。

本发明所述刻蚀液的浓度会影响到对钛金属的刻蚀速度，进而影响最终的刻蚀效果。在本发明的一个实施方式中，所述湿法刻蚀所采用的刻蚀液为质量分数为5-7％的氟化氢溶液。可选地，所述质量分数为6％的氟化氢溶液，保证刻蚀的均匀程度。

在本发明的一个实施方式中，所述湿法刻蚀的时间为30-120min，例如100min。试验发现，本发明所述刻蚀过程包括对钛金属刻蚀和对衬底的刻蚀两个过程，且对于氟化氢溶液来说上述两个过程的刻蚀速度有所差异，具体地，对钛金属刻蚀的刻蚀时间和对衬底的刻蚀的时间分别为85min和15min，得到形貌均一并带有尖锐边缘的悬切结构。

如图1及图2所示，一种用于控制液滴形状的薄膜，其中，采用如上所述用于控制液滴形状的薄膜的制备方法制备得到。用于控制液滴形状的薄膜的表面具有尖锐边缘，形成悬切结构。具体地，所述用于控制液滴形状的薄膜中，包括：衬底1、形成于所述衬底1上的钛金属层2、形成于所述钛金属层2上的二氧化钛层3，其中所述二氧化钛层3的宽度要大于所述钛金属层2的宽度，呈现出上宽下窄的悬切结构，或者说所述二氧化钛层3相对于所述钛金属层2向外侧伸出；而且所述二氧化钛层3具有良好的抗刻蚀性，因此在所述悬切结构的两侧边缘形成了尖锐的二氧化钛边缘。可见，本发明所述用于控制液滴形状的薄膜对液体具有强钉扎效应，从而实现对微液滴形状的操控更加稳健，能够有效抑制液体在非目标方向扩散，防止边界溢出。

本发明还提供一种如上所述用于控制液滴形状的薄膜在控制液滴形状上的应用，其中，所述液滴包括水、乙二醇、十六烷中的一种或多种。具体地，在得到的带有尖锐边缘的各向异性表面上分配水，乙二醇和十六烷，实现液滴形状的控制。举例地，把水滴滴到正方形图案的用于控制液滴形状的薄膜上，液滴能够沿着正方形图案铺展，并钉扎在正方形图案的尖锐边缘。

本发明提供一种带有悬切边缘的各向异性图案对液滴实现各种形状操控，基于悬切结构边缘对液体的钉扎效应，能够显著提高液滴操控的稳健性和和灵活性。基于本方法获得的微纳米结构，不仅可以操控常规微流控中的宏观液滴，同样可以通过调节表面加工尺寸来实现对纳米液滴的操控，并且通过设计的有尖锐边缘的各向异性图案结构，可实现单液滴任意形状可控，复合液滴阵列可控。也即是，本发明提供一种基于液滴形状控制的方法，解决了现有微液滴操控方法中液滴的稳健性不好，容易崩塌的难题。

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案进行说明。

实施例1

步骤一：通过磁控溅射沉积工艺在玻璃片衬底1上沉积一层100nm的钛金属层2。

步骤二：通过激光直写技术将矩形阵列图案刻写在100nm钛金属层2上，得到图案化的钛金属层。其中，激光直写技术的刻写参数为：激光功率6mW；激光脉宽1ms。

步骤三：将得到的图案化的薄膜浸入质量分数为6％的氟化氢稀释液中100min，得到矩形阵列图案的用于控制液滴形状的薄膜。

步骤四：把水滴滴到矩形阵列图案的用于控制液滴形状的薄膜上，液滴能够沿着矩形图案铺展，并钉扎在矩形图案的尖锐边缘。

实施例2

步骤一：通过磁控溅射沉积工艺在玻璃衬底1上沉积一层20nm的钛金属层2。

步骤二：通过激光直写技术将正方形阵列图案刻写在20nm钛金属层2上，得到图案化的钛金属层。其中，激光直写技术的刻写参数为：激光功率6mW；激光脉宽1ms。

步骤三：将得到的图案化的钛金属层浸入质量分数为5％的氟化氢稀释液中60min，得到矩形阵列图案的用于控制液滴形状的薄膜。

步骤四：把水滴滴到矩形阵列图案的用于控制液滴形状的薄膜上，液滴能够沿着矩形图案铺展，并钉扎在矩形图案的尖锐边缘，液滴在1h内未发生崩塌。

实施例3

步骤一：通过磁控溅射沉积工艺在玻璃片衬底1上沉积一层200nm的钛金属层2。

步骤二：通过激光直写技术将矩形阵列图案刻写在200nm的钛金属层2上，得到图案化的钛金属层。其中，激光直写技术的刻写参数为：激光功率6mW；激光脉宽1ms。

步骤三：将得到的图案化的钛金属层浸入质量分数为8％的氟化氢稀释液中150min，得到带有尖锐边缘的矩形图案阵列。

步骤四：把水滴滴到矩形阵列图案的用于控制液滴形状的薄膜上，液滴能够沿着矩形图案铺展，并钉扎在矩形图案的尖锐边缘，液滴在1h内未发生崩塌。

本发明解决现有微液滴操控方法存在液滴的稳健性不好，容易崩塌的难题。相比其他加工方式，本发明通过制备悬切结构，对液体具有强钉扎效应，提高了微液滴形状的稳健性。本发明通过激光直写技术直接将在钛金属薄膜上预加工各种形状图案，然后再通过后续湿法刻蚀，得到用于控制液滴形状的薄膜，且所述用于控制液滴形状的薄膜上形成有带有尖锐边缘的悬切结构。可见，本发明所述用于控制液滴形状的薄膜制备方法十分简单、方便，整个加工过程不需要掩模。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

一种用于控制液滴形状的薄膜及其制备方法与应用专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。