專利名稱：納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速成型方法，尤其是圖案化金屬納米材料器件的快速成型方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，金、銀納米顆粒及含有金、銀納米顆粒的組裝體系，因其具有特殊的優(yōu)異性能和廣泛的應(yīng)用前景而備受人們青睞。金、銀納米顆粒本身就具有如體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，同時膠體金和銀納米顆粒還具有一些獨特的性能，如良好的生物活性和生物相容性使得金、銀納米顆?？杀粦?yīng)用于生物標(biāo)識；金和銀均是典型的拉曼效應(yīng)增強(qiáng)劑，通過金或銀納米顆粒與檢測分子之間的物理或化學(xué)作用，可使檢測分子的拉曼散射信號得到增強(qiáng)，達(dá)到104 107倍。金、銀納米顆粒組裝 體系更是當(dāng)前的研究熱點，常被用于設(shè)計和制備具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能的納米設(shè)備。目前，金、銀納米顆粒的制備主要有兩種方法物理法和化學(xué)法，其中物理法是通過機(jī)械粉碎、超聲波粉碎等物理方法將塊狀的金或銀材料細(xì)分成金或銀納米顆粒；化學(xué)法是以金的化合物為原料，利用還原反應(yīng)生成納米微粒，在形成金納米顆粒時控制粒子的生長，使其維持納米尺度。目前，這些方法已發(fā)展成熟。但存在的問題是原材料為貴金屬，價格昂貴，采用這些方法需要大量的原料，容易引起浪費；同時這些方法不利于同納米設(shè)備的設(shè)計和制備工藝結(jié)合。由于微滴噴射技術(shù)可用于大規(guī)模、低成本和柔性生產(chǎn)，因此得到了人們的極大關(guān)注。在許多應(yīng)用領(lǐng)域中開始嘗試將微滴噴射當(dāng)作一種制造手段，如顯示器制造業(yè)。因為它可以大大減小制造成本，不需要光學(xué)系統(tǒng)和光刻掩模板，簡化了制造工藝；其次，微滴噴射適合在柔性襯底上進(jìn)行材料沉積，如紙或塑料；另外，微滴噴射可以處理各種材料，包括可溶溶液、懸浮液和溶膠凝膠，如陶瓷材料、有機(jī)聚合物、金屬納米顆粒和生物材料。由于微滴噴射是數(shù)字驅(qū)動直接生產(chǎn)，可由計算機(jī)輔助設(shè)計直接制造出器件圖形，實現(xiàn)快速成型，采用按需微滴噴射沉積方法可以減少材料浪費。但是，目前還沒有出現(xiàn)通過微滴噴射技術(shù)來原位合成制造納米金、銀技術(shù)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，利用微滴噴射技術(shù)來制備金、銀納米顆粒，可以實現(xiàn)金、銀納米顆粒的原位合成和圖案化，顯著縮短現(xiàn)有技術(shù)中金、銀納米顆粒制備周期，圖案化的納米金屬材料粒度均勻，能與MEMS工藝兼容，制備簡單，成本低。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，包括如下步驟
O目標(biāo)金屬材料的前驅(qū)體溶液制備以該目標(biāo)金屬化合物為溶質(zhì)，以去離子水為溶劑，以溶質(zhì)和溶劑的質(zhì)量比為I :(100 1000)的比例制備反應(yīng)原料溶液，形成目標(biāo)金屬材料的前驅(qū)體溶液；目標(biāo)金屬為金或銀；
2)還原劑溶液制備以還原劑為溶質(zhì)，也以去離子水為溶劑，以溶質(zhì)和溶劑的質(zhì)量比為I (100 ~ 500)的比例制備還原劑溶液；
3)反應(yīng)物過濾用過濾器過濾在上述步驟I)中制備的目標(biāo)金屬材料的前驅(qū)體溶液，得到濾液a，同時還用過濾器過濾在上述步驟2)中制備的還原劑溶液，得到濾液b，過濾器的過濾孔徑小于O. 5 μ m ；
4)噴射墨水加注將在上述步驟3)中制備的濾液a和濾液b分別作為墨水a(chǎn)和墨水b，并分別注入微滴噴射系統(tǒng)不同的貯液器中；
5)微滴噴射原位合成制備金屬材料的圖案化器件將打印襯底材料加熱到10°C 80°C，并且保持打印襯底材料的溫度不變，使打印機(jī)噴嘴與打印襯底材料表面的距離保持為O. Imm Imm,通過控制在上述步驟4)中的微滴噴射系統(tǒng),首先使墨水a(chǎn)通過微滴噴射系 統(tǒng)的打印噴嘴噴射并沉積在打印襯底材料的指定位置上，然后再在襯底上的墨水a(chǎn)的墨跡上打印墨水b，或者首先使墨水b沉積在打印襯底材料表面的指定位置上，然后再在襯底上的墨水b的墨跡上打印墨水a(chǎn),墨水a(chǎn)和墨水b的嗔射量比例與其_■者中含有的反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)比例相適應(yīng)，墨水a(chǎn)和墨水b進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，析出目標(biāo)金屬材料的納米顆粒，即形成圖案化的納米金屬材料器件；優(yōu)選將打印襯底材料加熱到60°C，且保持打印襯底材料的溫度不變，可形成；打印襯底材料優(yōu)選為硅片材料、玻璃、聚合物或金屬，墨水a(chǎn)和墨水b皆不與襯底材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；本發(fā)明尤其適用于納米金屬材料的薄膜器件或點陣器件的制備。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點
1.本發(fā)明方法實現(xiàn)了利用微滴噴射技術(shù)來制備金、銀納米顆粒，并且這種方法可以實現(xiàn)金、銀納米顆粒的原位合成和圖案化，與MEMS工藝兼容，制備工藝簡單，成本低；
2.本發(fā)明方法顯著縮短現(xiàn)有技術(shù)中金、銀納米顆粒制備周期，圖案化的納米金屬材料粒度均勻，比傳統(tǒng)的物理法和化學(xué)法更具技術(shù)優(yōu)勢；
3.本發(fā)明方法采用微滴噴射工藝，通過數(shù)字驅(qū)動直接生產(chǎn)，可由計算機(jī)輔助設(shè)計直接制造出器件圖形，實現(xiàn)快速成型，采用按需微滴噴射沉積方法可以減少材料浪費。


圖I是本發(fā)明實施例一納米金屬材料沉積制備薄膜器件示意圖。圖2是本發(fā)明實施例二納米金屬材料沉積制備點陣器件示意圖。
具體實施例方式結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下
實施例一
參見圖1，一種納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，以制備納米金薄膜器件為例，包括如下步驟
1)金元素的前驅(qū)體溶液制備將1%氯金酸溶解于去離子水中，氯金酸與去離子水的體積比為I :79，制備金化合物溶液，形成金元素的前驅(qū)體溶液；
2)還原劑溶液制備將4%朽1檬酸鈉、1%丹寧酸和50mM碳酸鉀混合后作為還原劑,將該還原劑溶解于去離子水中，對應(yīng)的體積比為1:0. 1:0. 05:19. 15，制備還原劑溶液；3)反應(yīng)物過濾用過濾器過濾在上述步驟I)中制備的金元素的前驅(qū)體溶液，得到濾液a,同時還用過濾器過濾在上述步驟2)中制備的還原劑溶液，得到濾液b，過濾器的過濾孔徑小于O. 5 μ m ；
4)噴射墨水加注將在上述步驟3)中制備的濾液a和濾液b分別作為墨水a(chǎn)和墨水b，并分別注入微滴噴射系統(tǒng)不同的貯液器中；
5)微滴噴射原位合成制備納米金薄膜器件將打印襯底材料4加熱到10°C 80°C，并且保持打印襯底材料4的溫度不變，使打印機(jī)噴嘴與打印襯底材料4表面的距離保持為O. Imm Imm,通過控制在上述步驟4)中的微滴噴射系統(tǒng),首先使墨水a(chǎn)通過微滴噴射系統(tǒng)的打印噴嘴2向打印襯底材料4噴射墨水液滴3，可由微滴噴射系統(tǒng)的壓電驅(qū)動管I向打印噴嘴2中的墨水沖壓將墨水噴出，并沉積在打印襯底材料4的指定位置上，形成覆層液態(tài)薄膜5，然后再在打印襯底材料4上的墨水a(chǎn)的墨跡上打印墨水b，即將墨水b沉積在覆層液態(tài)薄膜5上，墨水a(chǎn)和墨水b的噴射量比例與其二者中含有的反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)比例相適應(yīng)，在本實施例中，定量的墨水a(chǎn)為I 20滴，定量的墨水b為I 100滴。墨水a(chǎn)和墨水b進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，析出金納米顆粒，形成原位合成納米金薄膜6，即形成納米金薄膜器件。這 樣，反應(yīng)后形成金納米顆粒，并且由于墨水a(chǎn)和墨水b是經(jīng)過在打印襯底材料4上一直保持恒溫下發(fā)生反應(yīng)的，使得制得的金納米顆粒分散性好，還可直接圖案化金納米顆粒。在本實施例中，打印襯底材料4為硅片材料、玻璃、聚合物或金屬，墨水a(chǎn)和墨水b皆不與襯底材料4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于
參見圖2，在本實施例中，納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法能夠制備納米金點陣器件，通過控制在上述步驟4)中的微滴噴射系統(tǒng)，首先使墨水a(chǎn)沉積在打印襯底材料4的指定位置上，形成覆層液滴點陣7，然后再在覆層液滴點陣7上上打印墨水b，墨水a(chǎn)和墨水b進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，析出金納米顆粒，形成原位合成納米金點陣6，即形成納米金點陣器件。改變打印噴嘴2打印的點間距還可制備不同的微滴噴射圖案。實施例三
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于
在本實施例中，在上述步驟5)中，將打印襯底材料加熱到60°C，且保持打印襯底材料的溫度不變。通過改變溫度可以實現(xiàn)對合成金納米顆粒尺寸和分散性的控制，其中溫度控制在60°C為較佳，可以反應(yīng)得到IOnm分散均勻的金納米顆粒。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，其特征在于，包括如下步驟 1)目標(biāo)金屬材料的前驅(qū)體溶液制備以該目標(biāo)金屬化合物為溶質(zhì)，以去離子水為溶劑，以溶質(zhì)和溶劑的質(zhì)量比為I:(100 1000)的比例制備反應(yīng)原料溶液，形成目標(biāo)金屬材料的前驅(qū)體溶液； 2)還原劑溶液制備以還原劑為溶質(zhì)，也以去離子水為溶劑，以溶質(zhì)和溶劑的質(zhì)量比為I : (100 500)的比例制備還原劑溶液； 3)反應(yīng)物過濾用過濾器過濾在上述步驟I)中制備的目標(biāo)金屬材料的前驅(qū)體溶液，得到濾液(a)，同時還用過濾器過濾在上述步驟2)中制備的還原劑溶液，得到濾液(b)，所述過濾器的過濾孔徑小于O. 5 ym； 4)噴射墨水加注將在上述步驟3)中制備的濾液(a)和濾液(b)分別作為墨水(a)和墨水(b)，并分別注入微滴噴射系統(tǒng)不同的貯液器中； 5)微滴噴射原位合成制備金屬材料的圖案化器件將打印襯底材料加熱到10°C 80°C，并且保持所述打印襯底材料的溫度不變，使打印機(jī)噴嘴與所述打印襯底材料表面的距離保持為O. Imm 1mm，通過控制在上述步驟4)中的微滴噴射系統(tǒng)，首先使所述墨水(a)通過所述微滴噴射系統(tǒng)的打印噴嘴噴射并沉積在所述打印襯底材料的指定位置上，然后再在所述打印襯底材料上的所述墨水(a)的墨跡上打印所述墨水(b),或者首先使所述墨水(b)沉積在所述打印襯底材料表面的指定位置上，然后再在所述打印襯底材料上的所述墨水(b)的墨跡上打印所述墨水(a)，所述墨水(a)和所述墨水(b)的嗔射量比例與其_■者中含有的反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)比例相適應(yīng)，所述墨水(a)和所述墨水(b)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，析出目標(biāo)金屬材料的納米顆粒，即形成圖案化的納米金屬材料器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，其特征在于在上述步驟I)中的所述目標(biāo)金屬為金或銀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，其特征在于在上述步驟5)中，將所述打印襯底材料加熱到60°C，且保持所述打印襯底材料的溫度不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，其特征在于在上述步驟5)中，所述打印襯底材料為硅片材料、玻璃、聚合物或金屬，所述墨水(a)和所述墨水(b)皆不與所述襯底材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任意一項所述的納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，其特征在于在上述步驟5)中制備的納米金屬材料圖案化器件為薄膜器件或點陣器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米金屬材料沉積制備圖案化器件的快速成型方法，包括如下步驟將目標(biāo)金屬化合物溶于離子水，形成前驅(qū)體溶液；將還原劑也溶于去離子水形成還原劑溶液；分別用過濾器過濾前驅(qū)體溶液和還原劑溶液，得到墨水(a、b)；將墨水(a、b)分別注入微滴噴射系統(tǒng)不同的貯液器中；將打印襯底材料加熱并保溫，控制微滴噴射系統(tǒng)，使墨水(a)沉積在打印襯底材料的指定位置上，然后再在襯底上的墨水(a)的墨跡上打印墨水(b)，墨水之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，析出目標(biāo)金屬材料的納米顆粒，即形成圖案化的納米金屬材料器件。本發(fā)明實現(xiàn)了金、銀納米顆粒的原位合成和圖案化，縮短金、銀納米顆粒制備周期，與MEMS工藝兼容，制備簡單，成本低。
文檔編號B41M3/00GK102922890SQ201210390849
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者胡志宇, 劉鈿, 王雅晨, 曾志剛 申請人:上海大學(xué)