1.本发明涉及微纳机电系统，尤其涉及一种微纳尺度机械互锁结构及制备方法。
背景技术：
2.硅基微纳机电系统是一种将微电子技术、微机械技术、光学技术和材料科学等多种技术融合在一起的新型技术，应用领域非常广泛，包括汽车产业、医疗及健康监护产业、通信产业以及手机和游戏机等个人电子消费品产业，具有微型化、集成化、可靠性高、精度高和成本低等优势。基于硅微纳米线可形貌定制和易于转移悬空的突出优势，已被广泛应用于制备振镜、加速器、微纳机械手、生物探针等。
3.但本技术发明人发现，通过转移微纳米硅线方法制造的悬空器件一直存在着与衬底接触较差且在使用过程中易于振动脱离衬底的问题，严重限制着器件的性能稳定性及可应用领域。
4.发表于《国家科学评论》（national science review, nsr）的文章（ji s, chen x. enhancing the interfacial binding strength between modular stretchable electronic components[j]. national science review, 2023, 10(1): nwac172.）中综述介绍了多种增强可拉伸电子元件之间的界面结合强度的方法。一种是通过化学方法形成共价键合，该方法适用于特定材料或是需要引入别的物质，但是不适用于硅基纳米线与衬底的接触，甚至会影响器件性能。另一种是机械联锁，该文章中提及的机械联锁分两种，一是由于大多数可拉伸部件是聚合物，通过聚合物链缠结来增强结合强度，这种只适用于聚合物，难以在由无机物构成的器件上使用；另一种是形成微观树根状的结构，该方法侧重于界面间的微观结构的设计，主要通过增加界面接触面积和摩擦力来增强结合强度，不适用于纳米线结构与界面的结合。该综述主要介绍的方法主要适用于可拉伸器件的相关材料，并且主要侧重于增强界面与界面之间微观结构的结合强度。
[0005]
因此，亟需开发一种简便、高效且可靠的适用于纳米线与衬底之间的接触与固定的方案。
技术实现要素：
[0006]
针对上述现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种微纳尺度机械互锁结构，并且主要利用的是硅纳米线的形貌设计与微纳米柱之间的匹配，利用机械结构嵌套实现互锁。同时本技术还涉及到该互锁结构的制备方法。
[0007]
本发明提供一种微纳尺度机械互锁结构，其特征在于：包括至少一根设置于衬底上的具有预设深度的微纳米立柱，及至少带有一个钩状结构的微纳米硅线，所述微纳米硅线的钩状结构与微纳米立柱的形状、数量匹配，且与所述微纳米立柱嵌套互锁。
[0008]
作为优选，所述微纳米立柱的预设深度范围为200纳米～500微米，形状包括但不限于圆柱体、长方体。
[0009]
作为优选，所述微纳米硅线的直径范围在10纳米～500微米，其钩状结构包括但不
限于圆形、方形。
[0010]
本发明还公开了一种微纳尺度机械互锁结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，利用光刻在衬底上定义出立柱形状，利用刻蚀方法制备设定深度的微纳米立柱；第二步，制备与微纳米立柱大小和分布匹配的钩子形状纳米线；第三步，采用挑线工艺将步骤二中得到的带有钩子形状的微纳米硅线与步骤一得到的立柱嵌套互锁。
[0011]
作为优选，在第二步中钩子形状纳米线制备方法为：利用平面纳米线引导生长工艺通过光刻和刻蚀在氧化硅片衬底表面形成预设的钩子形状的引导沟槽，之后通过光刻和蒸发工艺沉积形成催化金属条带，将上述衬底置于等离子增强化学沉积系统中，氢等离子体处理去除催化金属表面氧化层并形成金属液滴，沉积非晶硅后并退火生长出具有钩子结构的硅纳米线；或者，通过电子束光刻结合刻蚀工艺制备与立柱大小和分布匹配的钩子形状的纳米硅线；或者，通过普通光刻结合刻蚀工艺制备与立柱大小和分布匹配的钩子形状的微米硅线。
[0012]
本技术提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：1、本发明的机械互锁结构由传统硅材料制成，制作方法简单且与传统硅工艺兼容；2、本发明将微纳米线钩子与立柱巧妙结合，形成稳定的机械互锁结构，有效解决了传统的直线形状微纳米线与衬底的一维接触差的问题，使得悬空微纳米器件在使用过程中更加稳定；3、本发明的机械互锁结构使得微纳米线器件在承受较大的拉力形变时钩状结构可发生沿立柱的微小转动，更好地释放应力，减少对微纳米线器件的损伤。
附图说明
[0013]
图1为本发明实施例1中带有一对立柱的机械互锁结构的制备流程图；图2为本发明实施例1带有一对立柱的机械互锁结构中立柱的制备流程图；图3为本发明实施例1中机械互锁结构的扫描电镜图；图4为本发明实施例2中制备带有三个立柱的微纳尺度机械互锁结构中端部带有三个钩状的纳米线的流程图；图5为本发明实施例2中制备带有三个立柱的微纳尺度机械互锁结构的效果图；图6为本发明实施例3中制备的两端分别带有两个立柱的微纳尺度机械互锁结构示意图。
实施方式
[0014]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例
[0015]
如图1-图3所示：本实施例提供一种制备两端互锁结构，包括一对制备于衬底上的微纳米立柱、两端各带有一个钩状结构的弯曲微纳米硅线，微纳米硅线的钩状结构与微纳米立柱的形状、数量匹配，且与所述微纳米立柱嵌套互锁。
[0016]
本实施例中微纳米立柱的深度为20微米，形状为圆柱体。
[0017]
本实施例中的微纳米硅线的直径为120纳米。
[0018]
本实施例还提供了上述微纳尺度机械互锁结构的制备方法，如图1中的图1a-图1d所示，具体步骤包括：第一步、通过光刻和刻蚀在氧化硅片衬底表面形成两端具有钩状结构的引导沟槽，之后通过光刻和沉积形成催化金属条带；置于pecvd中，氢等离子体处理去除催化金属表面氧化层并形成金属液滴，沉积非晶硅，并退火生长直径为120nm的硅纳米线。
[0019]
第二步、在硅片表面利用光刻定义直径为5微米立柱形状，间隔50微米，采用深硅刻蚀工艺制备两根立柱，如图2a、图2b所示。
[0020]
第三步、利用光纤将第一步生长得到的硅纳米线挑起，转移至第二步的衬底上，并使其两端钩状结构与立柱两端嵌套，实现互锁，图3为该互锁结构的扫描电镜图像。
[0021]
上述本技术实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：1）两端的互锁结构使得硅纳米线器件结构可以稳定悬空，不易从衬底上脱离；2）两端的互锁结构使得硅纳米线器件在承受较大的拉力形变时钩状结构可发生沿立柱的微小转动，更好地释放应力，减少对硅纳米线器件的损伤。
[0022]
3）该互锁结构中的两个端部硅纳米线钩子可与纳米线的其余部分一次性生长制备，且通过简单的转移和匹配立柱悬挂即可获得互锁结构。
实施例
[0023]
本实施例提供一种带有三根立柱与三个钩状结构形成机械自锁的方法；具体步骤包括：第一步、利用电子束光刻，在soi衬底定义出宽度为500纳米，端部带有三个钩状结构的条带；干法刻蚀直到氧化层，并利用氢氟酸溶液湿法刻蚀使纳米线释放，如图4的图4a、图4b所示，纳米线的直径约500纳米。半圆形钩子结构与柱子形状大小匹配，直径约为6微米(图4a中r1)；第二步、利用光刻结合刻蚀的方法，制作出带有与第一步得到的纳米线钩状结构匹配的三根立柱，立柱深度约40微米，直径约6微米；第三步、利用光纤将第一步生长得到的硅纳米线挑起，转移至第二步的衬底上，并使其两端钩状结构与立柱两端嵌套，实现互锁，图5为该互锁结构的效果图像。
[0024]
本技术实施例中的技术方案制备的多个互锁结构进一步限制了微米硅线的运动自由度，使其与立柱的接触变得更加牢固。
实施例
[0025]
本实施例制备一种带有两根立柱与两个钩状结构形成机械自锁的方法；制备方法和实施例1、2相似，不做赘述，制备的互锁结构效果图像如图6所示。本发明的互锁微纳米线
结构由传统硅材料制成，制备过程简单且可与成熟的硅工艺兼容，且获得的互锁结构使得微纳米线结构可承受大的外力而不发生脱落。
[0026]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。