一種納米尖浸潤(rùn)聚焦的電射流打印方法與流程

本發(fā)明屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種納米尖浸潤(rùn)聚焦的電射流打印方法。

背景技術(shù)：

基于電流體動(dòng)力學(xué)(electrohydrodynamic)原理的電射流打印(e-jetprinting)技術(shù)，利用電場(chǎng)力將流體拉伸成大頸縮比微射流，并結(jié)合工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)液滴的精確定位、沉積或結(jié)構(gòu)直寫(xiě)。其工作原理是：在毛細(xì)噴孔和接收板之間施加適當(dāng)電壓，在噴孔出口處形成的彎月?tīng)钜旱卧陔妶?chǎng)切向力作用下被拉伸成尖錐狀，并在尖錐末端形成微細(xì)的電流體動(dòng)力射流,沉積到接收板上。在這一過(guò)程中，作用于液滴尖錐上的電場(chǎng)力和液滴重力、表面張力、粘滯力及慣性力保持動(dòng)態(tài)平衡，以維持電流體動(dòng)力射流的穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的壓電、加熱或氣泡驅(qū)動(dòng)的噴墨打印技術(shù)相比，電射流打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于可用大直徑噴孔獲得遠(yuǎn)小于噴孔直徑的射流，射流直徑可比噴孔直徑小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

電流體動(dòng)力射流的精確聚焦和控制是電射流打印的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在電射流打印過(guò)程中，電場(chǎng)力極易受到噴孔形狀的影響而變得離散，難以獲得精確聚焦的穩(wěn)定射流。為了提高射流聚焦精度及其穩(wěn)定性，文獻(xiàn)lees,byund，jungd,etal.pole-typegroundelectrodeinnozzleforelectrostaticfieldinduceddrop-on-demandinkjethead[j].sensors&actuatorsaphysical,2008,141(2):506-514.提出了一種在噴孔中內(nèi)嵌柱狀電極的電射流打印頭結(jié)構(gòu)，通過(guò)柱狀電極增強(qiáng)噴孔出口的電場(chǎng)聚焦作用，以產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)的微細(xì)射流。

現(xiàn)有研究表明，電流體動(dòng)力射流的直徑一般由噴孔直徑的大小所決定，當(dāng)使用微米級(jí)直徑的噴孔時(shí)，可獲得直徑為亞微米尺度的射流，此時(shí)噴孔出口的彎月面液滴體積為飛升(femtoliter，10^-15l)量級(jí)。以此類推，要想獲得直徑在納米尺度(～100nm)以內(nèi)的射流，需使噴孔出口的液滴體積降至阿升(attoliter，10^-18l)量級(jí)，需要進(jìn)一步縮小噴孔直徑。基于此目的，相關(guān)研究一般通過(guò)縮小噴孔直徑來(lái)提高電射流打印分辨率。文獻(xiàn)j.park,m.hardy,s.kang,k.barton,k.adair,d.mukhopadhyay,c.lee,m.strano,a.alleyne,j.georgiadis,p.ferreira&j.rogers,high-resolutionelectrohydrodynamicjetprinting,nat.mater.2007,6,782–789.通過(guò)將噴孔內(nèi)徑減小至300nm～2μm范圍，并將打印高度，噴孔至襯底間距降低至100μm以內(nèi)，獲得了最小特征尺寸為240nm的打印結(jié)構(gòu)。然而，如需將電射流打印分辨率由亞微米尺度進(jìn)一步提高至納米尺度，基于傳統(tǒng)錐-射流或脈動(dòng)液滴射流模式的電射流打印技術(shù)仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。大量前期研究已表明，當(dāng)器件結(jié)構(gòu)特征尺寸減小到納米尺度時(shí)，由于材料和結(jié)構(gòu)中量子效應(yīng)的出現(xiàn)和表面效應(yīng)的極大增強(qiáng)，器件性能將可獲得質(zhì)的飛躍。然而，目前上述納米結(jié)構(gòu)和器件多采用電子束、離子束、納米壓印等光刻工藝制成，其制造過(guò)程需要借助極為昂貴的納米壓印機(jī)、光刻機(jī)、聚焦離子束等設(shè)備來(lái)完成，工藝流程繁瑣、制造成本極高，嚴(yán)重阻礙了納米器件的大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，發(fā)明了一種納米尖浸潤(rùn)聚焦的電射流打印新方法。該方法中利用納米尖表面毛細(xì)結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)聚焦，將阿升級(jí)液滴精確輸送至聚焦射流點(diǎn)，突破噴孔型泰勒錐模式下電射流聚焦的物理尺度限制和系統(tǒng)工藝性限制，從而將電射流打印分辨率由微米尺度提升至納米尺度，具有打印分辨率高，控制精度好，材料適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，可用于3d納米結(jié)構(gòu)的精細(xì)打印制造。實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、柔性化的電射流納米打印制造。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種納米尖浸潤(rùn)聚焦的電射流打印方法，其特征是，該方法中利用納米尖表面毛細(xì)結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)聚焦，將阿升級(jí)液滴精確輸送至聚焦射流點(diǎn)，在根本上突破噴孔型泰勒錐模式下電射流聚焦的物理尺度限制和系統(tǒng)工藝性限制，從而將電射流打印分辨率由微米尺度提升至納米尺度；方法首先制備并安裝打印裝置，其中納米尖的曲率半徑為2～1000nm；然后通過(guò)給墨系統(tǒng)將墨水輸送到納米尖所在的容墨腔，墨水在納米尖毛細(xì)浸潤(rùn)作用下形成聚焦液錐；接著施加10～2000v的浸潤(rùn)電壓，聚焦液錐在電浸潤(rùn)作用下進(jìn)一步銳化；最后施加10～4000v的脈沖電壓，將納米液滴發(fā)射至接收板上；同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)10hz～40khz的脈沖電壓頻率，可控制其打印速率；納米液滴發(fā)射后，納米尖上的液膜在毛細(xì)壓差的作用下從容墨腔中補(bǔ)充墨水，進(jìn)入下一次液滴聚焦和發(fā)射周期；方法的具體步驟如下：

第一步，制備并安裝打印裝置

首先通過(guò)微制造工藝依次制備出納米尖1和容墨腔3，其中納米尖1位于容墨腔3中央；接著利用化學(xué)、物理方法構(gòu)造納米尖表面毛細(xì)結(jié)構(gòu)2以改變納米尖1的表面能，使墨水能夠浸潤(rùn)其表面；其次制作出浸潤(rùn)電極4和脈沖電極5；為了實(shí)現(xiàn)兩電極之間的絕緣，在制作出脈沖電極5后還要在其上制作出電氣絕緣層6；最后將直流電源7和脈沖電源8分別與浸潤(rùn)電極4及脈沖電極5相連；將接收板9接地，用于接收并分離打印的液滴；

第二步，打印納米液滴

配制打印墨水，通過(guò)給墨系統(tǒng)將墨水輸送到納米尖1所在的容墨腔3，使納米尖1的底部浸入到墨水之中；墨水在納米尖表面毛細(xì)結(jié)構(gòu)2形成的作用力牽引下爬升并覆蓋納米尖1表面；接著通過(guò)直流電源7在浸潤(rùn)電極4上施加浸潤(rùn)電壓，納米尖1上的液膜在其外加電場(chǎng)浸潤(rùn)效應(yīng)的作用下進(jìn)一步變形、聚焦和銳化，形成阿升級(jí)的尖端液滴；最后通過(guò)脈沖電源8在脈沖電極5上施加脈沖電壓，納米尖1頂端的阿升級(jí)液滴在脈沖電壓的作用下克服液膜表面張力和液膜粘滯力，被發(fā)射到接收板9上，隨后納米尖1上的液膜在毛細(xì)壓差的作用下從容墨腔3中補(bǔ)充墨水，進(jìn)入下一次液滴發(fā)射周期。

本發(fā)明的顯著效果是打印分辨率高，可將電射流打印分辨率由百納米尺度提升至納米尺度(<100nm)。控制精度好，通過(guò)改變納米尖表面毛細(xì)結(jié)構(gòu)、曲率半徑，可改變液體攀爬速率，進(jìn)而控制液膜覆蓋量和液滴打印體積；通過(guò)改變外加浸潤(rùn)電壓大小和脈沖電壓參數(shù)，可調(diào)節(jié)液膜聚焦?fàn)顟B(tài)，并進(jìn)一步控制液滴打印體積。同時(shí)通過(guò)改變脈沖電壓頻率，可控制液滴打印速率，實(shí)現(xiàn)變速打印。材料適應(yīng)性廣，納米尖代替打印噴孔，可適應(yīng)多種成分、濃度、粘度等理化指標(biāo)的墨水，有效擴(kuò)大墨水種類及其適應(yīng)性。該方法用于3d納米結(jié)構(gòu)的精細(xì)打印制造，實(shí)現(xiàn)了高精度、低成本、柔性化的電射流納米打印制造。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明納米尖浸潤(rùn)聚焦的電射流打印裝置示意圖，其中：1-納米尖，2-納米尖表面毛細(xì)結(jié)構(gòu)，3-容墨腔，4-浸潤(rùn)電極，5-脈沖電極，6-電氣絕緣層，7-直流電源，8-脈沖電源，9-接收板。

圖2是納米液滴的形成步驟示意圖，其中：a)液面初始狀態(tài)，b)納米尖1毛細(xì)浸潤(rùn)形成聚焦液錐，c)聚焦液錐電浸潤(rùn)銳化，d)脈沖電壓發(fā)射納米液滴。

圖3是施加脈沖電壓后納米液滴在不同時(shí)刻的形態(tài)仿真圖，其中：a)1.8e-4s，b)2.5e-4s，c)2.9e-4s，d)3.3e-4s。

圖4是本發(fā)明中利用濕法腐蝕工藝在硅基底上制備的納米尖掃描電鏡照片。

圖5是利用本發(fā)明所打印的納米液滴照片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施。

圖1是本發(fā)明納米尖浸潤(rùn)聚焦的電射流打印裝置示意圖，如圖所示，方法首先制備并安裝打印裝置，方法的具體步驟如下：

第一步，制備并安裝打印裝置

首先在(100)雙面拋光單晶硅片上通過(guò)各向異性濕法刻蝕依次制備出曲率半徑約為10nm的納米尖1和容墨腔3；接著利用化學(xué)、物理方法構(gòu)造納米尖表面毛細(xì)結(jié)構(gòu)2以改變納米尖1的表面能，使墨水能夠浸潤(rùn)其表面；其次利用濺射及正膠剝離工藝依次制作出浸潤(rùn)電極4和脈沖電極5；為了實(shí)現(xiàn)兩電極之間的電氣絕緣，在制作出脈沖電極5后利用旋涂工藝制備聚酰亞胺電氣絕緣層6；最后將直流電源7和脈沖電源8分別與浸潤(rùn)電極4及脈沖電極5相連；將接收板9接地，用來(lái)接收并分離打印的液滴；

第二步，打印納米液滴

納米液滴的形成步驟示意圖如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，浸潤(rùn)電壓大小為10v，脈沖電壓幅值為10v，頻率為10hz；配制打印墨水，通過(guò)給墨系統(tǒng)將墨水輸送到納米尖1所在的容墨腔3，使納米尖1的底部浸入到墨水之中；墨水在納米尖表面毛細(xì)結(jié)構(gòu)2形成的作用力牽引下爬升并覆蓋納米尖1表面；接著通過(guò)直流電源7在浸潤(rùn)電極4上施加10v的浸潤(rùn)電壓，納米尖1上的液膜在外加電場(chǎng)浸潤(rùn)效應(yīng)的作用下進(jìn)一步變形、聚焦和銳化，形成阿升級(jí)的尖端液滴；最后通過(guò)脈沖電源8在脈沖電極5上施加幅值為10v的脈沖電壓，納米尖1頂端的阿升級(jí)液滴在脈沖電壓作用下克服其表面張力和液膜粘滯力，被發(fā)射到接收板9上，隨后納米尖1上的液膜在毛細(xì)壓差的作用下從容墨腔3中補(bǔ)充墨水，進(jìn)入下一次液滴發(fā)射周期。打印的納米液滴如圖5所示。

圖3是施加脈沖電壓后納米液滴在不同時(shí)刻的形態(tài)仿真圖，由圖可以看出，在施加脈沖電壓后的1.8e-4s到3.3e-4s，納米尖上的聚焦液錐在切向電場(chǎng)力的作用下，突破液體粘滯力、表面張力及慣性力的束縛，被牽拉、斷裂形成納米液滴彈射至接收板上。

本發(fā)明一種納米尖浸潤(rùn)聚焦的電射流打印方法，突破噴孔型泰勒錐模式下電射流聚焦的物理尺度限制和系統(tǒng)工藝限制，從而將電射流打印分辨率由微米尺度提升至納米尺度。該方法具有打印分辨率高，控制精度好，材料適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，可用于3d納米結(jié)構(gòu)的精細(xì)打印制造。實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、柔性化的電射流納米打印制造。