Способ модификации микроструктуры предмета
Изобретение касается способа поверхностной модификации и/или объемной модификации микроструктуры на материале и/или в материале предмета. Способ изготовления матрицы для формирования структуры, в котором выполняют поверхностную модификацию и/или объемную модификацию микроструктуры на материале и/или в материале предмета. Причем микроструктуру создают на и/или в материале предмета, причем для уменьшения структурных размеров микроструктуры предмета при значительном сохранении относительного профилирования микроструктуры осуществляют объемное сжатие материала посредством физических и/или химических процессов. При этом в качестве материалов используют природные и/или изготовленные из встречающихся в природе веществ материалы и объемное сжатие осуществляют за счет процесса спекания, или за счет тепловой усадки, или за счет карбонизирования, или за счет коксования. С помощью соответствующего изобретению способа могут сравнительно просто и недорого реализоваться очень тонкие микроструктуры. 10 з.п. ф-лы.
Изобретение касается способа поверхностной модификации и/или объемной модификации микроструктуры на материале и/или в материале предмета.
Предметы и, соответственно, материалы с микроструктурированной поверхностью находят применение, например, как оптические элементы и детали, как материалы с определенно модифицированными качествами поверхностей или как функциональные компоненты.
Модифицированные микроструктурированные поверхности находят применение, например, как оптические структуры, например, в форме голограмм, как излучающие свет структуры, как структуры, которые являются частью оптической детали как, например, матрицы линз, призмы, светоотражающие структуры. Структуры с определенными качествами поверхностей являются, например, структурами, которые целенаправленно влияют на смачиваемость, на электрические свойства или механические свойства. Смачиваемость известна, например, как "эффект цветка лотоса"; в случае электрических и, соответственно, электронных свойств речь идет, например, о структурах для жидкокристаллических индикаторов, "лаборатории на чипе" и т.д. В случае механических свойств речь идет, например, о характере износа, т.е. о влиянии на коэффициент сцепления и/или коэффициент трения скольжения предмета, выполненного с соответствующей микроструктурой.
Объемно модифицированные материалы и, соответственно, предметы располагают, например, микроструктурами в форме гнезд, каналов и/или отверстий с различным выполнением. Такие объемно модифицированные материалы находят применение, например, как фильтры, мембраны, электронные конструктивные элементы и т.д.
Комбинации поверхностной модификации и объемной модификации возможны прямыми методами или методами копирования формы. В случае прямых методов речь идет, например, о так называемом прямом структурировании посредством лазера, о литографических методах, таких как метод литографии рентгеновским лучом или, в частности, метод литографии электронным лучом, о технике масок, методе травления, механических методах, таких как нанесение царапин, например, посредством алмаза. Также возможно тиснение посредством матриц. В случае методов копирования формы выполняют копирование формы или, соответственно, делают слепок, например, посредством механических процессов и/или посредством отверждаемых материалов, в случае которых речь может идти, например, об УФ-литьевых смолах или т.п.
Производство структурированных поверхностей прямым методом или методом копирования формы вышеназванного вида часто ограничено техническими и/или коммерческими причинами. Так общеизвестным фактором для лимитирования голографического производства микроструктур является использованная длина волны света. Для производства очень тонких структур требуется коротковолновый лазер и комплексные, часто очень затратные макеты и материалы. Очень тонкие структуры можно реализовать с помощью электронно-лучевых установок. В случае находящей при этом применение электронной литографии с помощью электронных лучей, как правило, от 5 до 50 кэВ, на восприимчивом к электронам слое лака - который нанесен, например, на чип-заготовку - могут образовываться структуры глубиной 0,1 мкм или меньше. Влияние, ограничивающее разрешение, при этом оказывает так называемый эффект близости - из-за рассеяния электронов в полупроводниковом материале чипа-заготовки или из-за искажений луча вследствие электростатического отталкивания. Это известно как Boersch-эффект.
Ограничивающими факторами при электронной литографии являются необходимость использования очень дорогостоящих установок, относительно длинные времена формирования изображения, а также ограничения из-за использования восприимчивых к электронам слоев лака.
Существует, например, часто требование, исходя из заданной структуры, реализовать ее в меньшем масштабе. Заданная структура может содержать, например, 1500 линий/мм, которая должна изменяться, например, до 2000 линий/мм, т.е. должна стать более тонкой. Другой пример - это поэтапное производство мембран с нанотрубками определенного диаметра. При голографических методах, например, разрешение досягаемых структур ограничено использованной длиной волны света. Прямой интерес к структурам ниже этого разрешения, так называемым "субдлинноволновым структурам", в последнее время очень высок.
Часто использование очень маленьких структур невозможно вследствие имеющихся оригинальных технологий, издержек и/или временных требований.
Учитывая эти факты, в основе данного изобретения лежит задача создания способа упомянутого вначале типа, который относительно просто и недорого подходит для целенаправленной модификации микроструктур и, соответственно, микроструктурированных материалов.
Эта задача решается, согласно изобретению, посредством признаков пункта 1 формулы изобретения, т.е. следующими этапами способа:
a) создание микроструктуры на материале и/или в материале предмета и
b) объемное сжатие материала для уменьшения структурных размеров микроструктуры предмета.
Соответствующий изобретению способ имеет преимущество, что на первом этапе способа создается соответствующая микроструктура, и что эта микроструктура затем уменьшается посредством объемного сжатия материала в его размерах. При этом объемное сжатие происходит преимущественно при обеспечении в значительной мере сохранения относительного профилирования микроструктуры.
Согласно изобретению микроструктура на материале и/или в материале предмета может выполняться посредством всех распространенных методов, в частности посредством метода литографии или посредством метода копирования формы. Метод копирования формы может осуществляться посредством матрицы. Копирование матрицы или, по-другому, копирование с матрицы может происходить с помощью механического и/или термического деформирования посредством прессования или заливки среды.
Отделение микроструктурированного материала от матрицы может происходить механически, посредством травления, с помощью растворителей, сжиганием, пиролизом и т.д., т.е. применимы все возможные методы.
Соответствующий изобретению способ включает в себя следующие этапы способа:
- непосредственное формирование изображения или копирование формы микроструктуры в материале;
- объемное сжатие материала при значительном сохранении относительных структурных профилей при соответствующем уменьшении размеров структуры и
- применение полученного таким образом предмета, например, в качестве конструктивного элемента или в качестве матрицы для копирования соответствующим образом уменьшенных микроструктур.
Эти упомянутые в конечном итоге этапы способа могут проводиться - в зависимости от запроса - однажды или неоднократно, чтобы соответствующим образом реализовать тонкие микроструктуры.
Структурирование соответствующего материала может происходить - как уже было показано - посредством лазера, посредством травления или с помощью удаления областей посредством растворителей, посредством применения матриц и т.д. Копирование матриц происходит, как правило, с помощью механического и/или термического деформирования посредством прессования, с помощью заливки среды с последующим отверждением, или известными литографическими технологиями. Отверждение может осуществляться сушкой, химическим отверждением, например отверждение УФ-излучением, и т.д.
Время контакта между матрицей и материалом зависит от соответствующей системы и от желаемых и достигаемых свойств. Это время контакта может составлять от <1 с до нескольких дней. Матрицы могут состоять из различных материалов. В случае этих материалов, речь может идти о металлах, полимерных материалах, неорганических материалах и т.д. Отделение матриц от материала может происходить чисто механически, посредством травления, с помощью растворителей, т.е. растворением матрицы или, например, фоторезиста, или сжиганием, или пиролизом. Момент отделения матрицы от материала зависит от использованной системы. Например, во время контакта осуществляют отверждение посредством УФ-излучения, и последующее разделение, и контролируемый пиролиз.
В соответствующем изобретению способе в качестве материала могут использоваться термопластические и/или термореактивные полимерные материалы, и/или эластомеры. Также в качестве материалов могут использоваться наполненные наполнителем и/или ненаполненные материалы. В качестве материалов могут использоваться также керамические и/или металлические материалы. Также возможно использовать в качестве материалов натуральные и/или изготовленные из встречающихся в природе веществ материалы. Следовательно, в соответствующем изобретению способе применимы все материалы, которые отличаются объемным сжатием - частично в комбинации с соответствующим процессом обработки. Объемное расширение также является возможным. Изобретение относится также и к этому.
В соответствующем изобретению способе также могут использоваться комбинации вышеназванных материалов, например композиты.
Как наполнитель целесообразным образом используются частицы наполнителя, величина частиц которого меньше, чем размеры подлежащей копированию микроструктуры. При этом оказалось целесообразным, если отношение размеров микроструктуры к величине частиц составляет величину между 2:1 и ≥100:1, предпочтительно порядка >10:1.
На рынке доступны "наночастицы", величина частиц которых составляет от 3 до 30 нм. Такие наночастицы могут использоваться, например, в таких микроструктурах, как синусоидальные структуры с 1000 линий/мм.
Кроме величины частиц, большое влияние также может иметь форма частиц наполнителя; поэтому может быть выгодно, если в соответствующем изобретению способе используются частицы наполнителя с продолговатой, пластинчатой или выполненной в виде волокна формой. Такие частицы наполнителя упомянутого последним типа могут позволять лучшее копирование структур и таким образом, в случае необходимости, использоваться даже при неблагоприятном отношении размеров микроструктуры к величине частиц. Выгодны также частицы наполнителя, которые можно деформировать при копировании. Частицы наполнителя могут иметь также круглую форму. Применение наполнителей может приводить также к модификациям микроструктур. Например, может происходить структурирование микроструктуры с "напластованными" наноструктурами. Это может быть выгодно и желательно в определенных случаях применения.
В соответствующем изобретению способе объемное сжатие материала для уменьшения размеров структуры может происходить, преимущественно при значительном сохранении относительного профилирования микроструктуры, посредством физического, и/или химического, и/или биологического процессов. При этом объемное сжатие может осуществляться посредством тепловой усадки, посредством процесса сушки при выделении воды и/или растворителя, посредством процесса твердения, посредством процесса спекания, посредством процесса отверждения или целенаправленной карбонизации или, соответственно, коксования органических материалов и, соответственно, керамик.
В то время как в большом количестве технических материалов обычно стремятся по возможности к меньшей усадке, в соответствующем изобретению способе часто стремятся к высокой усадке, чего можно достигать с помощью определенных модификаций материалов.
Примерами объемных изменений являются:
- литье под давлением поликарбоната - объемное изменение: примерно 2%;
- полиэфир, ненаполненный после отверждения, - объемное изменение: примерно 3-7%;
- глиноземы - объемное изменение: примерно 5-40%;
- карбонизирование керамических материалов (частично органически модифицированных) - объемное изменение: примерно 5-50%.
Изготовленные согласно соответствующему изобретению способу предметы могут находить применение как конструктивные элементы или как матрицы для копирования микроструктур. Вариантами применения материалов являются, например:
- оптические элементы и, соответственно, оптическое использование,
- материалы с поверхностно модифицированными свойствами для санитарной области, для черной металлургии и стальной индустрии, для электроники, электротехники, для области электростанций, для биологического применения, в медицине, в диагностике, в машиностроении и т.д.;
- материалы с объемно-модифицированными свойствами, например, с нанотрубками при технических применениях, как, например, в фильтрах, мембранах, при биологическом применении, в медицине, диагностике, электронике, в оптических элементах;
- применение как матриц для последующих процессов.
1. Способ изготовления матрицы для формирования структуры, в котором выполняют поверхностную модификацию и/или объемную модификацию микроструктуры на материале и/или в материале предмета, причем микроструктуру создают на и/или в материале предмета, причем для уменьшения структурных размеров микроструктуры предмета при значительном сохранении относительного профилирования микроструктуры осуществляют объемное сжатие материала посредством физических и/или химических процессов, отличающийся тем,
что в качестве материалов используют природные и/или изготовленные из встречающихся в природе веществ материалы, и что объемное сжатие осуществляют за счет процесса спекания или за счет тепловой усадки, или за счет карбонизирования, или за счет коксования.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что микроструктуру на материале и/или в материале предмета выполняют посредством метода литографии.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что микроструктуру на материале и/или в материале предмета выполняют посредством лазера или посредством травления, или посредством метода копирования формы.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что метод копирования формы осуществляют посредством матрицы.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что копирование с помощью матрицы осуществляют механическим и/или термическим деформированием посредством прессования.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что копирование с помощью матрицы осуществляют посредством заливки среды.
7. Способ по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что отделение микроструктурированного материала от матрицы осуществляют механически, посредством травления, посредством растворителей, с помощью сжигания или пиролизом.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов используют керамические и/или металлические материалы.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что подвергнутый объемному сжатию предмет используют в качестве матрицы для копирования соответственно уменьшенной микроструктуры.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что матрицу, содержащую соответственно уменьшенную микроструктуру, используют для формирования структуры.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что этапы:
формирование микроструктуры в материале;
осуществление объемного сжатия материала при, по существу, сохранении относительного профиля микроструктуры с соответствующим уменьшением в размерах этой микроструктуры; и
использование полученного объемно сжатого предмета в качестве матрицы для копирования соответствующей уменьшенной микроструктуры, повторно выполняют для формирования структуры.
