纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法

摘要

本发明公开了一种纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法，包括如下步骤：将目标金属化合物溶于离子水，形成前驱体溶液；将还原剂也溶于去离子水形成还原剂溶液；分别用过滤器过滤前驱体溶液和还原剂溶液，得到墨水（a、b）；将墨水（a、b）分别注入微滴喷射系统不同的贮液器中；将打印衬底材料加热并保温，控制微滴喷射系统，使墨水（a）沉积在打印衬底材料的指定位置上，然后再在衬底上的墨水（a）的墨迹上打印墨水（b），墨水之间进行化学反应，析出目标金属材料的纳米颗粒，即形成图案化的纳米金属材料器件。本发明实现了金、银纳米颗粒的原位合成和图案化，缩短金、银纳米颗粒制备周期，与MEMS工艺兼容，制备简单，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速成型方法，尤其是图案化金属纳米材料器件的快速成型方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，金、银纳米颗粒及含有金、银纳米颗粒的组装体系，因其具有特殊的优异性能和广泛的应用前景而备受人们青睐。金、银纳米颗粒本身就具有如体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，同时胶体金和银纳米颗粒还具有一些独特的性能，如良好的生物活性和生物相容性使得金、银纳米颗粒可被应用于生物标识；金和银均是典型的拉曼效应增强剂，通过金或银纳米颗粒与检测分子之间的物理或化学作用，可使检测分子的拉曼散射信号得到增强，达到104～107倍。金、银纳米颗粒组装体系更是当前的研究热点，常被用于设计和制备具有优异的光学和电学性能的纳米设备。

目前，金、银纳米颗粒的制备主要有两种方法：物理法和化学法，其中物理法是通过机械粉碎、超声波粉碎等物理方法将块状的金或银材料细分成金或银纳米颗粒；化学法是以金的化合物为原料，利用还原反应生成纳米微粒，在形成金纳米颗粒时控制粒子的生长，使其维持纳米尺度。目前，这些方法已发展成熟。但存在的问题是原材料为贵金属，价格昂贵，采用这些方法需要大量的原料，容易引起浪费；同时这些方法不利于同纳米设备的设计和制备工艺结合。

由于微滴喷射技术可用于大规模、低成本和柔性生产，因此得到了人们的极大关注。在许多应用领域中开始尝试将微滴喷射当作一种制造手段，如显示器制造业。因为它可以大大减小制造成本，不需要光学系统和光刻掩模板，简化了制造工艺；其次，微滴喷射适合在柔性衬底上进行材料沉积，如纸或塑料；另外，微滴喷射可以处理各种材料，包括可溶溶液、悬浮液和溶胶凝胶，如陶瓷材料、有机聚合物、金属纳米颗粒和生物材料。由于微滴喷射是数字驱动直接生产，可由计算机辅助设计直接制造出器件图形，实现快速成型，采用按需微滴喷射沉积方法可以减少材料浪费。但是，目前还没有出现通过微滴喷射技术来原位合成制造纳米金、银技术的方法。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法，利用微滴喷射技术来制备金、银纳米颗粒，可以实现金、银纳米颗粒的原位合成和图案化，显著缩短现有技术中金、银纳米颗粒制备周期，图案化的纳米金属材料粒度均匀，能与MEMS工艺兼容，制备简单，成本低。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法，包括如下步骤：

1）目标金属材料的前驱体溶液制备：以该目标金属化合物为溶质，以去离子水为溶剂，以溶质和溶剂的质量比为1：（100～1000）的比例制备反应原料溶液，形成目标金属材料的前驱体溶液；目标金属为金或银；

2）还原剂溶液制备：以还原剂为溶质，也以去离子水为溶剂，以溶质和溶剂的质量比为1：（100～500）的比例制备还原剂溶液；

3）反应物过滤：用过滤器过滤在上述步骤1）中制备的目标金属材料的前驱体溶液，得到滤液a，同时还用过滤器过滤在上述步骤2）中制备的还原剂溶液，得到滤液b，过滤器的过滤孔径小于0.5 μm；

4）喷射墨水加注：将在上述步骤3）中制备的滤液a和滤液b分别作为墨水a和墨水b，并分别注入微滴喷射系统不同的贮液器中；

5）微滴喷射原位合成制备金属材料的图案化器件：将打印衬底材料加热到10℃～80℃，并且保持打印衬底材料的温度不变，使打印机喷嘴与打印衬底材料表面的距离保持为0.1mm～1mm，通过控制在上述步骤4）中的微滴喷射系统，首先使墨水a通过微滴喷射系统的打印喷嘴喷射并沉积在打印衬底材料的指定位置上，然后再在衬底上的墨水a的墨迹上打印墨水b，或者首先使墨水b沉积在打印衬底材料表面的指定位置上，然后再在衬底上的墨水b的墨迹上打印墨水a，墨水a和墨水b的喷射量比例与其二者中含有的反应物化学反应比例相适应，墨水a和墨水b进行化学反应，析出目标金属材料的纳米颗粒，即形成图案化的纳米金属材料器件；优选将打印衬底材料加热到60℃，且保持打印衬底材料的温度不变，可形成；打印衬底材料优选为硅片材料、玻璃、聚合物或金属，墨水a和墨水b皆不与衬底材料发生化学反应；本发明尤其适用于纳米金属材料的薄膜器件或点阵器件的制备。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明方法实现了利用微滴喷射技术来制备金、银纳米颗粒，并且这种方法可以实现金、银纳米颗粒的原位合成和图案化，与MEMS工艺兼容，制备工艺简单，成本低；

2. 本发明方法显著缩短现有技术中金、银纳米颗粒制备周期，图案化的纳米金属材料粒度均匀，比传统的物理法和化学法更具技术优势；

3. 本发明方法采用微滴喷射工艺，通过数字驱动直接生产，可由计算机辅助设计直接制造出器件图形，实现快速成型，采用按需微滴喷射沉积方法可以减少材料浪费。

附图说明

图1是本发明实施例一纳米金属材料沉积制备薄膜器件示意图。

图2是本发明实施例二纳米金属材料沉积制备点阵器件示意图。

具体实施方式

结合附图，对本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

参见图1，一种纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法，以制备纳米金薄膜器件为例，包括如下步骤：

1）金元素的前驱体溶液制备：将1%氯金酸溶解于去离子水中，氯金酸与去离子水的体积比为1：79，制备金化合物溶液，形成金元素的前驱体溶液；

2）还原剂溶液制备：将4%柠檬酸钠、1%丹宁酸和50mM碳酸钾混合后作为还原剂，将该还原剂溶解于去离子水中，对应的体积比为1:0.1:0.05:19.15，制备还原剂溶液；

3）反应物过滤：用过滤器过滤在上述步骤1）中制备的金元素的前驱体溶液，得到滤液a，同时还用过滤器过滤在上述步骤2）中制备的还原剂溶液，得到滤液b，过滤器的过滤孔径小于0.5 μm；

4）喷射墨水加注：将在上述步骤3）中制备的滤液a和滤液b分别作为墨水a和墨水b，并分别注入微滴喷射系统不同的贮液器中；

5）微滴喷射原位合成制备纳米金薄膜器件：将打印衬底材料4加热到10℃～80℃，并且保持打印衬底材料4的温度不变，使打印机喷嘴与打印衬底材料4表面的距离保持为0.1mm～1mm，通过控制在上述步骤4）中的微滴喷射系统，首先使墨水a通过微滴喷射系统的打印喷嘴2向打印衬底材料4喷射墨水液滴3，可由微滴喷射系统的压电驱动管1向打印喷嘴2中的墨水冲压将墨水喷出，并沉积在打印衬底材料4的指定位置上，形成覆层液态薄膜5，然后再在打印衬底材料4上的墨水a的墨迹上打印墨水b，即将墨水b沉积在覆层液态薄膜5上，墨水a和墨水b的喷射量比例与其二者中含有的反应物化学反应比例相适应，在本实施例中，定量的墨水a为1～20滴，定量的墨水b为1～100滴。墨水a和墨水b进行化学反应，析出金纳米颗粒，形成原位合成纳米金薄膜6，即形成纳米金薄膜器件。这样，反应后形成金纳米颗粒，并且由于墨水a和墨水b是经过在打印衬底材料4上一直保持恒温下发生反应的，使得制得的金纳米颗粒分散性好，还可直接图案化金纳米颗粒。

在本实施例中，打印衬底材料4为硅片材料、玻璃、聚合物或金属，墨水a和墨水b皆不与衬底材料4发生化学反应。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图2，在本实施例中，纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法能够制备纳米金点阵器件，通过控制在上述步骤4）中的微滴喷射系统，首先使墨水a沉积在打印衬底材料4的指定位置上，形成覆层液滴点阵7，然后再在覆层液滴点阵7上上打印墨水b，墨水a和墨水b进行化学反应，析出金纳米颗粒，形成原位合成纳米金点阵6，即形成纳米金点阵器件。改变打印喷嘴2打印的点间距还可制备不同的微滴喷射图案。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在上述步骤5）中，将打印衬底材料加热到60℃，且保持打印衬底材料的温度不变。通过改变温度可以实现对合成金纳米颗粒尺寸和分散性的控制，其中温度控制在60℃为较佳，可以反应得到10nm分散均匀的金纳米颗粒。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。