电子信息工程毕业设计（论文）软刻蚀方法复制仿生微纳结构.doc

毕业设计（论文） 课题 软刻蚀方法复制仿生微纳结构 专业年级 2005级电子科学与技术 学 号 姓 名 指导教师 评 阅 人 二九年六月计算机及信息工程学院（常州）河 海 大 学本科毕业设计（论文）任务书（理 工 科 类）、毕业设计（论文）题目： 软刻蚀方法复制仿生微纳结构 、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）：当前微电子加工技术已经进入纳米时代，随着特征尺寸的进一步缩写，下一代光刻技术急需解决。纳米压印技术(nanoimprint)极有可能成为下一代光刻技术，因为它具有工艺简单直接、成本低、效率高的优点。由于它是基于物理变形复制图案，不受光学衍射等因素影响，它具有较高的分辨率，可加工低于10纳米的图案。软刻蚀作为广义纳米压印技术的一种，具有柔性、易加工三维结构、生物相容性等优点，软刻蚀技术是一种集体技术的集体称呼，它包括微接触印刷、微模塑复制等，它们的共同点都是用到柔软的印章，常用的是PDMS印章。本课题拟提出用软刻蚀的方法批量复制仿生的微纳结构，该结构表面具有一定的疏水特性。通过本课题的设计，可认识软刻蚀技术中PDMS印章的制备，综合锻炼学生多学科的交叉分析能力。具体工作内容如下：1、熟悉课题研究背景，对相关纳米压印和软刻蚀资料进行分析整理。 2、对软刻蚀制备印章的方法熟练掌握。 3、购买实验材料，准备进行复制实验。 4、进行实验，从干荷叶结构上复制其表面的微纳米结构。 5、对印章和复制品的表面结构分别进行原子力显微镜进行测量。6、对实验结果进行分析总结。7、给出论文英文摘要、专业英文资料翻译。 8、要求用WORD 排版、打印毕业论文。 、进度安排：（1）2008年11月2009年1月：查阅资料，英文翻译，熟悉课题背景 （2）2009年2月2009年3月：进行相关资料收集，购买实验材料 （3）2009年3月2009年4月：进行实验从干荷叶上复制其表面的微纳米结构。 （4）2009年4月2009年5月：对印章和复制品的表面结构分别进行原子力显微镜进行测量，对实验结果进行分析总结。 （5）2009年5月2009年6月：撰写毕业设计论文、答辩 、主要参考资料：1崔铮，微纳米加工技术及其应用综述，物理，2006，35(1)，34-39.2Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits, Electronic19Lee G.-B., Chen S.-H., Huang G.-R., et al. Microfabricated plastic chips by hot embossing methods and their applications for DNA separation and detection, Sensors and Actuators B, 2001, 75，142-148.3Chou S. Y., Krauss P. R., Renstrom P. J., Imprint of sub-25 nm vias and trenches in polymers ,Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 3114-3116.4Miyauchi A., Haginoya C., Andou T., Nanoimprint technology and applications, INTERMAG ASIA 2005: Digests of the IEEE International Magnetics Conference, Nagoya,2005, 159-1605孙洪文，刘景全，陈迪，顾盼，杨春生，纳米压印技术，电子工艺技术，2004，25（3）：9398指导教师： ， 年 月 日学生姓名： 王志恒 ，专业年级： 2005电子科学技术 系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）： 系负责人签字： ， 年 月 日摘 要当前微电子加工技术已经进入纳米时代，纳米压印技术(nanoimprint lithograhpy, NIL)极有可能成为下一代光刻技术，因为它具有工艺简单直接、成本低、效率高的优点。软刻蚀作为广义纳米压印技术的一种，具有柔性、易加工三维结构、生物相容性等优点，软刻蚀技术是一种集体技术的集体称呼，常用的是PDMS印章。近年来，自然界中的超疏水与自清洁现象引起人们的研究兴趣。超疏水表面可用于汽车车窗、建筑物的玻璃窗以及玻璃外墙起到防污作用。人工制备超疏水结构是近年来的热点研究，很多研究小组用各种方法进行超疏水结构的制备。由于软刻蚀技术的各种优点与加工特点，用软刻蚀技术加工聚二甲基硅氧烷PDMS（Polydimethy siloxane，PDMS）超疏水结构是一种经济新型的方法。本课题的设计，采用多学科的交叉的方法，应用软刻蚀技术将荷叶的超疏水结构进行复制，在PDMS上制备超疏水结构，通过扫描探针显微镜与接触角的测量，验证并分析此方法，总结此方法的优缺点。本文的结构如下：1、介绍加工技术中软刻蚀技术的产生、软刻蚀技术的进展以及软刻蚀技术的方法。介绍超疏水与自清洁现象的原理。通过荷叶对超疏水结构进行深入的研究与分析，总结超疏水结构的特点。提出利用软刻蚀技术制备仿生超疏水结构。2、设计实验方法，利用软刻蚀技术将荷叶的疏水结构复制到PDMS上。3、通过扫描探针显微镜与接触角的测量，对实验结果进行分析总结，验证此方法的可行性,并对此方法进行优化。4、对软刻蚀技术复制仿生疏水结构进行总结与展望。关键字：软刻蚀技术 印章 荷叶 PDMS 超疏水结构 AbstractThe self-cleaning effect of lotus leaves and ultra hydrophobicity have attracted great attention due to potential application in daily life and industrial processes. The artificial super-hydrophobic surface can be used for automobile windows, building windows and walls of glass, which play an important role in anti-fouling. Current microelectronics processing technology has entered the age of nanotechnology, nanoimprint is very possible to become the next lithography technology, because this process has a lot of advantages such as simple, low cost, and high efficiency. Soft lithography is one of nanoimprint technology, the advantages of this process is flexible and cable of processing three-dimensional structure. The soft lithography technology, which is commonly used PDMS stamp, is a collective name of several techniques. Through this experiment, our team made casting processing technology apply to replicate the structure of ultra hydrophobic of dried locus leaf.This paper introduces the processing technology of microelectronics and nanoimprint technology firstly, then introduces the principle of ultra hydrophobic and self-cleaning. Through research and analysis lotus leaf, the author knows about the structure of the ultra hydrophobic in-depth. This paper sum up the characteristics of ultra hydrophobic structure, and design the replication process method of ultra hydrophobic.Key words: ultra hydrophobicity, stamp, lotus leaves, soft lithography, PDMS目录第一章 文献综述11.1 纳米压印技术11.1.1 纳米压抑技术背景11.1.2 纳米压印技术典型工艺与分类21.2 软刻蚀技术31.2.1 概述31.2.2 软刻蚀关键技术31.2.3 软刻蚀方法41.3 超疏水结构，自然界的疏水结构71.3.1 概述71.3.2 基本原理81.3.3 自然界的疏水结构91.4 荷叶表面的微纳米结构101.5 课题的研究意义和研究内容11第二章 软刻蚀方法复制仿生微纳结构122.1 对制作超疏水结构的方法与分析122.1.1 刻蚀法122.1.2 化学气相沉积132.1.3 机械拉伸132.1.4 溶胶凝胶法132.1.5 软刻蚀法复制仿生微纳结构142.1.6 五种制作超疏水结构方法的比较142.2 实验原料与样品152.3 实验仪器及实验设备162.4 实验步骤182.5 试验步骤的改进202.6 小结22第三章 印章与复制结构结果分析233.1 实验条件对实验结果的影响233.1.1 荷叶的干燥233.1.2 预聚体和固化剂的比例243.1.3 气泡对实验结果的影响253.2 扫描探针显微镜分析263.3 接触角测量273.4 小结29第四章 结论与展望304.1 结论304.2 展望31致谢32参考文献33附录35第一章 文献综述1.1 纳米压印技术1.1.1 纳米压抑技术背景随着微电子技术的发展，集成电路在正向这体积更小、集成度更高的方向发展，一方面遵循着摩尔定律，同时也在超越摩尔定律。由于现在的知识水平，现在也有很多人在怀疑摩尔定律，认为它的生命期还剩下1020年，以后的集成电路工艺技术将会遇到很难突破的瓶颈，影响集成电路的发展。随着微电子技术的迅速发展，IC的集成度越来越高，特征线宽尺寸越来越小。据2008国际半导体技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）（图1.1），45nm线宽IC已于2008年问世1。图 1.1 ITRS对IC制造最小特征尺寸历史走向和预测为了使IC集成度越高，要使得工艺的线宽越窄，集成电路在发展中也遇到过很多困境，特别是从100nm线宽发展到40nm线宽，其难度超越了集成电路40多年发展所遇到的难度。而现有的光刻工艺，随着特征尺寸的不断变小，投影光刻几乎达到了物理极限，要研发线宽更小的光刻设备所付出的技术和资金代价也非常昂贵。而1995年由普林斯顿大学提出的纳米压印（nanoimprint lithography，NIL）2被认为是很有发展潜力的技术。NIL有很大的优点：(1)分辨率高；（2）成本低，不需要OPC掩模版；（3）可采用对整个晶圆进行一次性图形转移的技术，能成批量生产。因此纳米压印技术被国际半导体技术蓝图机构规划为下一代32nm节点光刻技术的代表之一。1.1.2 纳米压印技术典型工艺与分类纳米压印技术是事先通过电子束光刻和反应离子束光刻等常规微电子工艺制作出一个具有纳米图形结构的模板或模具，压印时首先在硅表面涂一层聚合物（图1.2a）；在压印机上，施以一定的温度，当聚合物具有合适的流动性时，模板与硅片表面聚合物物理接触，并使模板的花纹图案印在聚合物上（图1.2b）；然后固化聚合物（图1.2c）；最后通过刻蚀工艺，将聚合物上的图形转移到硅表面上，完成纳米压印(图1.2d)。纳米压印主要可分为热压印（hot embossing lithography,HEL）、紫外纳米压印（Ultra-Violet Nanoimprint Lithography,UVNIL）及微接触（Microcontact Printing，CP）印刷三种工艺。图 1.2 纳米压印技术加工过程示意图1.2 软刻蚀技术1.2.1 概述软刻蚀是上世纪90年代初期，由美国Harvard大学Whitesides教授的研究小组率先研究开发出来的，这类技术所有操作方法的一个共同特征就是使用一个弹性印章来进行图形的复制与转移或采用印章当作掩模，“软刻蚀”(Soft lithography)也应因得名3。软刻蚀技术除了制作母板需要使用比较昂贵的电子束刻蚀，在后续的操作过程诸如浇铸、复制、转移图形等都是非常简便的操作。软刻蚀技术有以下优点：软刻蚀操作过程简单，不需要复杂昂贵的大型设备；弹性印章模塑成型，可重复使用，有效地降低成本；可一次在大面积上制作图形，适宜大面积、成批量生产；由于操作过程中不涉及光的作用，只要最初的模板足够精细，就可以突破投影光刻技术极限；可以方便地平面或曲面表面制作微细结构；既可以制造二维图形，也可以制造三维的微结构；迄今为止，软刻蚀已经发展壮大成一系列的相关操作，现在的软刻蚀特指这些操作的统称，它们具体包括复制模塑,微接触印刷，转移微模塑，近场光蚀刻等多项内容。1.2.2 软刻蚀关键技术表面带有凹凸微结构的弹性体是软刻蚀技术中的核心元件，称之为弹性印章。它是软刻蚀的技术基础，因为在软刻蚀的每一步操作方法中，都需要使用弹性印章来进行图形的复制、转移。软刻蚀所制造的最终结构的好坏都与弹性印章直接关联。现在普遍使用的是以Dow Coming公司生产的牌号为Sylgard184为代表的聚二甲基硅氧烷（Polydimethy siloxane，PDMS）作为弹性印章的材料。首先将室温为流体的PDMS预聚体加入交联剂，均匀混合后浇铸在硬母模板上。用UV光照或热处理数小时，使其交联。将固化的PDMS轻轻剥下，就得到了弹性模板4, PDMS弹性印章加工过程如图1.3。之所以选用PDMS作弹性模板，是因为PDMS具有很低的玻璃化转变温度，在室温下为流体，通过交联，流体很容易转变为具有弹性的固体。其次，PDMS还有其它一些特点，如与非平面的基板形成良好的接触，有很强的化学稳定性和图形稳定性，可以在几个月内使用多次而不发生明显性能下降等5。图 1.3 PDMS弹性印章加工过程示意图1.2.3 软刻蚀方法1复制模塑(Replica molding，REM)复制模塑所用的模板是软模板。软模板的弹性和低表面能使其很容易被剥离。复制加工REM是一个复制模板表面信息如形状、形态、结构等非常有效的方法。复制微模塑过程中对模板的损伤很小，可以用多次重复浇注的方法复制微图形，最后得到的微图形与最初的模板微结构无明显不同。可直接将预聚物浇铸在PDMS模板上固化形成图案。加热或UV光照固化的聚合物，只要不含溶剂，交联时收缩率小于3%，都可采用此方法图案化。目前已用这项技术制造出小于100nm的微结构。 复制模塑加工过程如图1.4。将预聚物浇铸在PDMS模板上，交联固化后，聚合物就形成了与PDMS模板互补但与源模板相似的图案。图 1.4 复制模塑加工过程示意图2微接触印刷（Microcontact Printing，CP）微接触印刷法是一种使用高分子弹性模版和自组装单分子膜技术在基片膜(通常是金膜)上印刷微米和纳米量级图纹的新技术。这是一种高质量、低成本的微结构制作方法，可以制作大面积、简单图案，适用于微米至纳米级图形制作，最小分辨率可达35nm6。浇铸有纳米图案的PDMS弹性模板浸入十六烷基硫醇的乙醇溶液，将PDMS模版压在贵金属Au表面上，停留1020秒后移开，硫醇与贵金属膜表面起反应，形成自组装单分子层。模板上的微图形以自组装单分子层的形式存在于基片表面。在此过程中，硫醇分子自动排列成规整的结构以求自由能最小，并且具有自动愈合缺陷的趋势，可减少印刷缺陷并保证印刷清晰度6。用蚀刻剂(KCN+KOH+O2)进行腐蚀，就在基片上得到与原刻蚀图纹完全一样的精细图纹。微接触印刷法形成的单分子膜图案可用来做选择性刻蚀的掩模板，这可用于形成金、银等的具有可控形状和尺寸的图案。另外，形成的金、银的图案可用作次极掩模板以刻蚀其下的Si，SiO2等基底。微接触印刷加工过程如1.5。用此过程得到的微结构可在很多领域应用，如微电子、传感器、太阳能电池和光学元件等。图 1.5 微接触印刷加工过程3. 近场光蚀刻（Near-field Photolithography）将透明级的PDMS作为近场光刻蚀技术中的相位掩膜。利用其柔软富于弹性的特点，与基片形成共形接触。再用普通的紫外光照射就可以实现近场光刻。首先使用软刻蚀技术通用的方法制备PDMS弹性模板，然后用该模板作为掩膜对基片上的光刻胶进行光刻，最后剥离，获得所需的图案。与使用硬制模板达到相同制作精度（90-lOOnm）的传统光刻技术相比较，该方法不要求使用复杂的显影设备和UV激光器。使用弹性模板PDMS作为掩膜，可以实现曲面光刻，这也是传统光刻技术所不能及的。此外，可以在不相干的多色紫外光源和1s的曝光时间下在基片表面形成近90nm的大面积近场图形。但是弹性模板的柔软性质限制了套刻精度。所以使得该方法只适用于对复制特征间距精度要求不高的微结构加工。如用于加工纳米线偏光器，光学陷波滤波器。光存储器，衍射光栅等器件。也可以应用于纳米电子学，高频率表面消声器，以及纳米机械等领域的研究和制造5。图 1.6 近场光蚀刻加工过程1.3 超疏水结构，自然界的疏水结构1.3.1 概述近几年，自然界中的超疏水与自清洁现象引起人们的研究兴趣。人工制备超疏水表面可用于建筑物的玻璃窗以及玻璃外墙起到防污作用，用于雷达、天线表面能够防止由于雪雨粘连而导致的信号衰减，抑制聚合物表面的凝血现象，用于输水、输油内管壁可降低流体阻力，材料的表面超疏水化可抑制微生物在对物体表面的粘附等。超疏水表面的研究已成为热点课题，涉及到植物学、化学、材料学、工程力学等多门学科。1.3.2 基本原理固体表面的润湿性是固体的重要表面性能，描述润湿性的指标为与水的接触角，接触角小于90°为亲水表面，接触角大于90°为疏水表面，接触角大于150°则称为超疏水表面。描述液滴在固体表面接触角的杨氏方程说明了接触角与固体表面能的关系。 （1）式中的、 与分别为固气表面、固液表面与气液表面的表面张力。对于粗糙表面，Wenzel7方程认为水滴在粗糙表面完全浸润，其液滴接触角为： （2）式中的r为表面粗糙度，是实际表面积与表面投影面积之比值，为平整表面的接触角，对于疏水表面，增加表面粗糙度，液滴的接触角增大，而对于亲水表面，增加表面粗糙度，液滴的接触角反而减小。Cassie8等认为水滴在粗糙表面接触存在两种界面，水滴与固体界面以及由于毛细现象水滴无法进入微孔而形成空气垫从而形成的水滴与空气垫界面，并认为水滴与空气垫的接触角为180°，因此，提出粗糙表面的水滴的接触角为：（3）、为粗糙表面接触面中液固界面的面积分数与气固界面的面积分数。由公式得出制备具有特殊结构的表面可以提高表面的接触角。图 1.3 Wenzel 模型与Cassie 模型描述的水滴在粗糙表面的示意图1.3.3 自然界的疏水结构在自然界中，荷叶表面具有的超疏水性和自清洁功能，引起了人们浓厚的兴趣。20世纪90年代，Barthlott和Neinhuis研究了荷叶的表面结构，认为荷叶的自洁性源于其表面微米纳米结构的乳突与表面蜡质晶体的共同作用。研究结果表明，荷叶与水的接触角约为161°，滚动角2°。对荷叶表面做了进一步研究，通过对荷叶表面微结构的观察，发现荷叶的表面是由许多大小不等的乳突组成。亚马逊雨林中有一种在水里生存蜘蛛，它会在水中捕食猎物，它在水中捕食的时候皮肤表面会有一层气膜，从水里出来后皮肤一点水都不会沾，对蜘蛛表皮的微观结构进行观察，发现蜘蛛能不沾水是由于其腿部特殊的微、纳米结构效应。蜘蛛全身由很多刚毛组成，以一定得角度排列。这些针状的刚毛直径在几纳米到几百纳米，大多数刚毛的长度为几十纳米。在每个微米级的刚毛上存在很多复杂的纳米级沟槽，形成微、纳米分级结构。这种微结构可以被看作是固、气组成的异相表面。空气被有效地吸附在这些取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，这就是蜘蛛的超疏水特性9。1.4 荷叶表面的微纳米结构1997年德国的两位科学家Barthlott和Neinhuis用扫描电镜SEM对荷叶的微观结构进行了研究。发现荷叶表面有序分布有很多乳突状结构如图1.8，这些乳突平均直径约为59m，在这些微米结构的乳突上，以及乳突之间，还分布着毛状的纳米结构的蜡质晶体，直径大概为124nm，图1.9。纳米蜡质晶体本身就是疏水的，再加上微米与纳米二级粗糙结构更加提高了表面与水接触时空气所占的分数，可以被看作是固、气组成的异相表面，并且在表面形成一层稳定的气膜，也就大大地降低了水与荷叶表面的实际接触，从而构成了荷叶表面的超疏水性。研究结果也表明，荷叶与水的接触角约为(161.0士2.7)°，滚动角也仅为2°。这种超疏水性也就使得荷叶荷花“出淤泥而不染”，水也可在荷叶上团聚在一起，恰似一颗颗晶莹透亮的珠子。通过下雨又可以把落到它上面的灰尘、杂质，甚至于细菌或者孢子，自动地被雨水带走，清除掉。这种疏水、自清洁的现象也叫做“荷叶效应”。图 1.8 荷叶表面微米结构10图 1.9 荷叶表面纳米结构111.5 课题的研究意义和研究内容本课题研究意义在于开发一种新的方法制备超疏水结构，分析研究此方法的可能性，由于这种方法工艺简单，经济，适合批量生产等优点，为制备人工疏水结构提出一种新的方法。并通过实验对此方法进行总结，优化制备人工疏水结构方法，可以将软刻蚀技术复制微纳米结构的方法进行拓展，使之可以运用到生产、生活之中。课题研究的主要内容是通过对软刻蚀技术进行分析，如工艺的特性，软刻蚀技术的方法与过程，还有对荷叶表面的疏水结构进行研究，进行两种学科的交叉：利用软刻蚀技术对荷叶表面的微米纳米结构进行复制，分析对比复制荷叶表面结构的方法，验证试验的方法，并且分析复制的结果，对试验方法进行总结。第二章 软刻蚀方法复制仿生微纳结构2.1 对制作超疏水结构的方法与分析人工制备超疏水结构各国科学家提出很多方法，而且这些方法有些已用到现实的生活中，但是这些方法也有缺点，很多都是因为工艺复杂，不经济而没有被使用。现有的制作超疏水结构的方法有刻蚀法，化学气相沉淀发，机械拉伸等。试验小组对现有的方法进行研究分析，比较这些方法的优缺点，提出自己的方法。2.1.1 刻蚀法Zhu10在通过在激光刻蚀的硅片上植入碳纳米管并且经过低表面能物质表面修饰后，则具有了二级结构的表面呈现出较高的疏水性。植入碳纳米管后的界面使得水滴无法渗入碳纳米管之间的空隙，而且水滴仅在碳纳米管突起之间滚动，从而具有较小的滚动角与滞后角。Shirtcliffe11等首先是在金属铜表面镀上一层光敏涂层，然后利用激光将光敏涂层刻蚀后，通过重铬酸钾溶液将没有被光敏涂层覆盖的铜表面进行腐蚀，或通过电镀在没有被光敏涂层覆盖的铜表面生长出纳米铜颗粒，形成粗糙表面，再经含氟的低表面能物质修饰后就可得到超疏水表面。还有利用光刻蚀的方法制备具有微米级柱状阵列结构的硅表面，然后用硅烷偶联剂进行疏水处理,从而得到超疏水表面12；Bico则利用的模板刻蚀法，在硅表面上制备了具有微米级的针状、孔状及条状结构的粗糙表面，经氟化处理后表面与水的接触角分别为167°，131°和151°13。利用激光刻蚀有机硅表面，得到了微米、亚微米、纳米多级结构的超疏水表面，并用微电子机械天平测定了表面与水的黏附力。结果表明，随着表面粗糙度的增加，黏附力显著降低。使用辉光放电射频等离子体技术，在大气环境下在基体表面上生成尺寸在几十纳米的表面，整个过程无需真空环境，还可连续进行。不必在基体表面形成微结构，接触角可达170°。2.1.2 化学气相沉积Lau14在碳纳米管阵列薄膜的表面上用化学气相沉积法沉积一层共形的聚四氟乙烯膜，得到的材料表面具有很好的疏水性；利用化学气相沉积法在石英基底上制备了蜂窝状、柱状和岛状的阵列碳纳米管膜，接触角也都大于160°。采用射线辐照聚合法，将置有载玻片和含六氟丙烯与聚甲基丙烯酸乙酯的混合气体的气相反应器通过射线轰击，在载玻片上沉积、生长出珊瑚状的聚甲基丙烯酸乙酯聚六氟丙烯的粗糙表面，形成低表面能的超疏水表面，接触角可达152°。将ITO导电玻璃依次浸入一定浓度的聚二丙烯二甲基氯化铵水溶液和聚对苯乙烯磺酸盐的水溶液，干燥后将处理过的ITO导电玻璃作为阴极在Ag/AgNO3电镀液中进行电沉积处理，由镀在ITO玻璃上的两种聚电解质因离子键发生自组装行为，使得银在ITO表面选择性生长，从而得到类树枝结构的粗糙表面，经十二烷基硫醇修饰后获得了超疏水表面18。通过电极反应在硅片上生长出树枝结构的纳米银粒子，经低表面能十二烷基硫醇处理制备出超疏水表面。2.1.3 机械拉伸在处于拉伸状态的硅橡胶表面进行氟化处理，引发接枝一层半氟烷基三氯硅烷，形变恢复后表面的氟烷烃密度增加，表面与水的接触角仅为131°，但有着优异的非常持久的疏水性。在水中浸泡7天后，接触角仅下降510°15。但是通过对PTFE橡胶带进行简单的拉伸，随着拉伸率的增大，构成橡胶的纤维状的体之间的距离增大，导致表面的粗糙度增加，表面的接触角也随之增加。在190的拉伸率时，接触角可达165°16。2.1.4 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是通过改变胶体溶液的酸碱度或者温度使得凝胶析出沉积而形成粗糙的表面，从而具有超疏水的性质。将不同浓度的氨水滴加到一定浓度的甲基三乙氧甲硅烷、盐酸、丙醇的混合溶液中后密封静止20h，在玻璃表面凝胶缓慢生长，然后将干燥后的样品迅速加热至300、并迅速冷却形成粗糙表面，再经一氯三甲代甲硅烷或一氯一丙基二甲基代甲硅烷溶液修饰后,即得到耐磨的超疏水表面17。2.1.5 软刻蚀法复制仿生微纳结构采用纳米制版技术来制备人造荷叶表面，使用的软性聚二甲基硅氧烷PDMS材料。直接放到自然的荷叶表面上进行铸造，就可得到与天然荷叶一样的人造荷叶表面材料。这样制造的材料也同样有超疏水的性质。2.1.6 五种制作超疏水结构方法的比较刻蚀法的工艺过程非常复杂，需要昂贵的激光进行刻蚀，并且需要在表面继续进行疏水处理，在有微米结构的表面再生长有纳米结构的物质，增加了工艺的复杂程度，并且加价格昂贵，这种方法最大的缺陷就是只能在硬质的金属表面进行疏水的加工。化学气相沉积方法需要首先碳纳米管阵列薄膜，并且需要化学气相沉淀或射线轰击。工艺过程也非常复杂，并且价钱昂贵，也同样不能对软材质或者曲面材质进行加工。机械拉伸法是工艺比较简单的一种制造超疏水结构的方法，而且有非常持久的疏水性。溶胶凝胶法同样是一种化学生长粗糙结构的方法，虽然此方法能得到很好的疏水性，但是此方法的生长比缓慢，并且需要迅速升温和迅速冷却，工艺也略有复杂。软刻蚀法复制仿生微纳结构的方法是采用生物、材料微电子加工工艺向交叉的方法，这个方法最大的优点就是复制方法简单，工艺简单，生成疏水材料速度迅速，这种方法可以直接复制荷叶上的疏水结构，从而在材料表面得到疏水结构，并且不需要大型而昂贵的生产工具，加工条件要求不苛刻，可以在软材料上，或者曲面上进行复制。但是它的局限性是不能生产大面积的疏水材料，下表2.1为五种方法的优点与缺点对比图。表 2.1五种制作超疏水结构方法的比较方法优点缺点刻蚀法1、较小的滚动角与滞后角2、接触角较大3、疏水性时间较长1、工艺复杂2、价钱昂贵3、只能在硬质的金属表面进行疏水的加工化学气相沉积1、接触角较大2、加工过程较快1、工艺复杂2、价钱昂贵3、不能对软材质或者曲面材质进行加工机械拉伸1、工艺简单2、加工过程很快3、疏水性时间较长1、接触角较小溶胶凝胶法1、接触角较大1、生长比缓慢2、速升温和迅速冷却，工艺也略有复杂软刻蚀法复制仿生微纳结构1、工艺简单，方法简便2、生成疏水材料速度迅速3、可以在软质材料与曲面材料进行复制1、材料比较单一2、运用范围不广3、不能大规模生产疏水材料软刻蚀法复制仿生微纳结构的方法也是一种可以在实验室进行简单试验的方法，实验过程简单，不需要使用大型的设备，也是采用生物、材料、软刻蚀技术交叉的方法，并且可以在曲面上制作疏水结构，这是其他方法所不能做到的。 2.2 实验原料与样品荷叶（采集的新鲜荷叶展平固定后自然阴干）；聚二甲基硅烷（PDMS，sylgard 184，Dow Corning Midland，MI）之所以用PDMS作为制备软刻蚀技术核心的弹性模版的材料。是因为它有很多优点，它的化学性质稳定，不易与其他材料粘连；可以与基板良好的接触，固化后易于剥离；表面性能容易通过单分子层的形成而改变；具有很低的表面能和很高的化学稳定性、各向同性、透光性好，图案稳定，收缩率低，流动性好，渗透性强等一系列优点。2.3 实验仪器及实验设备实验仪器：扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM，激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技 术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。扫描探针显微镜以其分辨率极高（原子级分辨率）、实时、实空间、原位成像，对样品无特殊要求（不受其导电性、干燥度、形状、硬度、纯度等限制）、可在大 气、常温环境甚至是溶液中成像、同时具备纳米操纵及加工功能、系统及配套相对简单、廉价等优点，广泛应用于纳米科技、材料科学、物理、化学和生命科学等领 域，并取得许多重要成果。SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：首先，SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。其次，SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，SPM是真正看到了原子。再次，SPM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此SPM适