利用化學氣相沉積技術製備三維孔洞結構

Abstract

本研究利用化學氣相沉積在昇華的固體模板建構三維多孔結構。氣相沉積主要發生在動態蒸氣-固體界面處，巨觀來說，沉積的構造透過犧牲的模板的昇華過程來引導，並以昇華模板的表面/界面在模板完全消失之前提供臨時支撐;此外，這樣的依賴性也並行於氣相沉積的保形機制，需要氣相前驅物吸附於昇華表面。在微觀上，孔洞在沉積和建構過程中形成，主要經由佔據空隙體積的昇華氣體以及在除了空隙之外的體積空間的沉積，這兩個動態和連續相互作用的過程，讓孔洞結構在三維中隨機分佈。 多功能聚對二甲苯（PPXs）氣相沉積於昇華模板時，由於氣體佔據和昇華多出的空間，構造過程中會形成多孔結構，因此透過控制模板的昇華速率和/或熱力學性質能夠調控孔隙率。我們利用調控載台溫度至-15 °C、4 °C、 25 °C去控制昇華速率，分別做出孔隙度61 % 、69.1 %、74.3 %的聚對二甲苯的孔洞材料。而昇華性質的不同，我們利用己烷的高昇華熱，使其與水混合結冰後作為昇華模板，接著在4 °C沉積，得到57.5%的孔隙率。我們也利用含有梯度組成的酒精混合物模板去製造梯度孔洞結構，此模板提供了蒸氣壓的梯度變化以及相對應不同的昇華速度，沉積後就會形成梯度孔洞結構。最後一個部分，我們使用含溶質的系統的冷凍模板，將含有功能性分子冷凍以形成昇華模板，隨後沉積聚對二甲苯，結果其材料在整個孔洞結構展現功能性分子的全方位性和均勻分佈性。溶質模板的使用，提供了一種裝載/定位功能性分子進入孔洞材料的獨特方法。 本文介紹技術提供了一個製造3D多孔材料的新穎方法，並且推翻了氣相沉積必然在基板上形成緻密薄膜的觀點。

Three-dimensional porous structures are constructed via vapor deposition onto a sublimating solid template. Construction upon deposition of vapor-phase material occurs at a dynamic vapor-solid interface and is directed by the solid surface vanishing by sublimation. A proof-of concept demonstration showed vapor depositions of poly-para-xylylenes (PPXs) on sublimating templates, including ice and mixtures with ethanol and hexane. The material construction macroscopically produces a replica architecture of the parent template. Characteristics of the pore structures are formed during the construction process as a result of the gas vapor and the space that is vacated by sublimation, thus enabling control of the porosity through regulation of the sublimation speed and/or the thermodynamic properties of the templates. The technology introduced herein provides a novel approach for 3D porous material manufacturing and overturns the notion that vapor deposition necessarily forms dense thin films on substrates.