CN101325151A - 关于纳米粒子系统的方法和装置 - Google Patents

关于纳米粒子系统的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101325151A
CN101325151A CNA200810109970XA CN200810109970A CN101325151A CN 101325151 A CN101325151 A CN 101325151A CN A200810109970X A CNA200810109970X A CN A200810109970XA CN 200810109970 A CN200810109970 A CN 200810109970A CN 101325151 A CN101325151 A CN 101325151A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electric field
electrode
nanoparticle layers
nanoparticle
roll
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA200810109970XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN101325151B (zh
Inventor
T·玛蒂拉
A·阿拉斯塔洛
M·艾伦
H·瑟帕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Original Assignee
Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus filed Critical Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Publication of CN101325151A publication Critical patent/CN101325151A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101325151B publication Critical patent/CN101325151B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/02—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which the conductive material is applied to the surface of the insulating support and is thereafter removed from such areas of the surface which are not intended for current conducting or shielding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
    • H01L21/76886—Modifying permanently or temporarily the pattern or the conductivity of conductive members, e.g. formation of alloys, reduction of contact resistances
    • H01L21/76888—By rendering at least a portion of the conductor non conductive, e.g. oxidation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/105—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by conversion of non-conductive material on or in the support into conductive material, e.g. by using an energy beam
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/12—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns
    • H05K3/1266—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns by electrographic or magnetographic printing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/02—Fillers; Particles; Fibers; Reinforcement materials
    • H05K2201/0203—Fillers and particles
    • H05K2201/0206—Materials
    • H05K2201/0224—Conductive particles having an insulating coating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/02—Fillers; Particles; Fibers; Reinforcement materials
    • H05K2201/0203—Fillers and particles
    • H05K2201/0242—Shape of an individual particle
    • H05K2201/0257—Nanoparticles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/01—Tools for processing; Objects used during processing
    • H05K2203/0104—Tools for processing; Objects used during processing for patterning or coating
    • H05K2203/0117—Pattern shaped electrode used for patterning, e.g. plating or etching
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/01—Tools for processing; Objects used during processing
    • H05K2203/0104—Tools for processing; Objects used during processing for patterning or coating
    • H05K2203/0121—Patterning, e.g. plating or etching by moving electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/01—Tools for processing; Objects used during processing
    • H05K2203/0104—Tools for processing; Objects used during processing for patterning or coating
    • H05K2203/0143—Using a roller; Specific shape thereof; Providing locally adhesive portions thereon
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/05—Patterning and lithography; Masks; Details of resist
    • H05K2203/0502—Patterning and lithography
    • H05K2203/0517—Electrographic patterning
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/10—Using electric, magnetic and electromagnetic fields; Using laser light
    • H05K2203/105—Using an electrical field; Special methods of applying an electric potential
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/11—Treatments characterised by their effect, e.g. heating, cooling, roughening
    • H05K2203/1131—Sintering, i.e. fusing of metal particles to achieve or improve electrical conductivity
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/15—Position of the PCB during processing
    • H05K2203/1545—Continuous processing, i.e. involving rolls moving a band-like or solid carrier along a continuous production path

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)

Abstract

本发明揭示了一种用于功能化纳米粒子系统的方法和装置。该方法包括处理含纳米粒子的层，以便产生结构转变区的图案，处理包括施加穿过纳米粒子层的电场。根据本发明，将电容性耦合至含纳米粒子层的AC场用作所述电场。该处理较佳地导致至少部分烧结的结构，例如，该结构可用作导体。本文公开了在大批量生产线中使用所公开的功能化的几种实现。

Description

关于纳米粒子系统的方法和装置
技术领域
本发明涉及电诱导结构转变，诸如电烧结，用于制造诸如天线和导体结构之类的电器件和结构。本发明在印刷电子领域尤其有优势。
背景技术
导体结构可基于印刷在塑料或纸衬底上并借助于热和可选的压力在塑料/纸兼容温度下(T＜200℃)烧结的金属纳米粒子悬浮体来形成。这种银纳米墨(nanoink)可容易地从诸如Cabot公司或Harima公司之类的公司中购买到。
常规的热处理的主要缺点包括(i)后烧结不是区域选择性的，即，在炉中烧结整个印刷层，(ii)在整个结构的热处理期间，衬底可能发出对于印刷结构有害的气体以及(iii)衬底的耐久性限制了可用的温度范围。
在提交本申请时还未出版的专利申请第FI 20060697号描述了一种用于烧结纳米粒子系统的改进方法，电烧结。在该方法中，在电处理下纳米粒子系统导电率显著提高。与常规的热烧结相比，电烧结法快速，并可减少衬底和其它周围结构的热负荷。S.Sivaramakrishnan等人的Controlled insulator-to-metaltransformation in printable polymer composites with nanometal clusters，NatureMaterials(自然材料)6，149(2007)和专利申请公开WO 2007/004033中描述了另一种利用电场烧结纳米粒子的方法。
US 2004/0085797揭示了一种借助于DC电压改变纳米或微粒子的状态的方法。通过位于含有分散粒子的柔性、类似凝胶的层的表面上的电极施加电压，从而粒子沿电场定向排列或形成团簇，该结构的电导率局部增加。该方法不能良好地适用于制造非易失性结构，且不能用于在表面上形成导线。
WO 2005/104226中揭示了一种通过穿过含有纳米粒子的层施加非常高(＞1kV)的电压脉冲来在半导体芯片中制造穿通触点的方法。该方法不能用于在表面上形成导线。
激光固化[参见，例如，Bieri等人，Superlattices and Microstructures35，437(2004)]也是一种用于烧结金属纳米粒子组件的公认方法。然而，由于金属表面的高反射率，在通过光波烧结时，向烧结材料传递能量是一个问题。对较厚(t＞＞10nm)的层和较大的纳米粒子(d＞＞2nm)的激光固化的适用性仍是有问题的。
WO 2007/038950揭示了一种通过用金属粒子以所述图案的形状涂覆衬底并通过微波辐射加热衬底来在衬底上加工金属图案的方法。该方法不允许纳米粒子层的选择性图案化。
WO 2005/060008揭示了一种用于制造太阳能电池的纳米粒子层的电解处理方法。在该方法中，电极上的纳米粒子层可受到通过该层和电极所浸入的电解液电阻性地施加电流的影响。该方法必须使用导电衬底，不能在例如大气中进行，不适于选择性图案化。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种以受控方式由纳米粒子生产功能结构的改进的方法，即提供选择性地功能化印刷纳米粒子层的能力。具体地，本发明的目的是实现一种快速方法，同时其适用于大批量生产。
本发明的另一个目的是提供用于实施本功能化过程的新颖装置和新颖使用。
以上的目标是通过将含纳米粒子的层与AC场耦合以便在结构上转变纳米粒子来实现的。
因此，在根据本发明的方法中，从含纳米粒子的层中产生了几何图案。根据本发明，含纳米粒子的层与交流电场耦合以便开始纳米粒子转变，以便形成结构转变图案。该耦合本质上是电容性的，与已知的辐射和电阻烧结工艺不同。
根据本发明的装置包括用于穿过纳米粒子层施加AC场以便借助于穿过纳米粒子层施加的电场将该层在结构上转变成若干区。
例如，所形成的结构可具有改变的电、机械或光性质。具体地，该结构可具有提高的电导率。
根据较佳的实施例，本发明用于通过使用足以至少部分地烧结或完全熔化所述纳米粒子的交流电场，将含有分散的纳米粒子的层变换成至少部分烧结的纳米粒子的几何图案。较佳地，一般具有聚合物包封的金属纳米粒子用于生产至少部分烧结的导体结构。然而，应注意，纳米粒子层也可借助于本发明来功能化而没有任何级别的实际烧结。例如，当用给出大的粒子间间距的配合基包封的陶瓷纳米粒子经受本方法时，配合基可在强、交流电场的影响下收缩。这可显著地改变陶瓷纳米粒子层的电性质。
更具体地，本方法和装置由独立权利要求中陈述的内容表征。
本发明的有利实施例的特征在从属权利要求中表征。方法的各个实施例包括单独的以下内容或其合适的组合：
-使用其形状对应于期望的结构转变图案的局部电场，
-使用足以烧结或完全聚结所述纳米粒子的电场，
-施加基本上平行于或垂直于含纳米粒子层的平面施加所述电场，
-利用诸如板或辊状压模之类的包括其形状对应于所述几何图案的图案化电极的电极装置来施加电场，
-利用辊至辊法施加电场，该辊至辊法中包括所述纳米粒子层的衬底通过由所述辊形成的辊隙传送，所述电场局部化在所述辊隙中。
-用两个相对电极装置施加电场，所述两个相对的电极装置诸如设置在所述含纳米粒子层的不同侧面上的辊，所述电极装置之一设置有电极子单元的阵列，所述各电极子单元的电位可单独控制用以产生所需几何图案，另一个电极装置用作对电极，以便垂直于所述含纳米粒子层施加场，
-用电极构件施加电场，所述电极构件诸如包括电极子单元阵列和围绕所述子单元的对电极以便施加穿过含纳米粒子层的横向电场，所述电极子单元的电位可单独控制用以产生所需几何图案，
-借助于类似探针的电极施加电场，所述类似探针的电极相对于所述纳米粒子层并在其附近移动以便形成所述几何图案，
-利用几种类似探针的电极宽度，用以形成具有不同线宽的结构转变线，
-使用形成了诸如微芯片之类的电组件的接触端子和结构转变的含纳米粒子层之间的电互连的几何图案，
-在利用电场施加装置施加所述电场的同时，监视由所述电场施加装置观察到的AC阻抗，-当达到所要求的阻抗级尤其是其电阻部分时，停止所述转变过程，
-从结构未转变的区域去除纳米粒子材料，
-借助于材料分散器工具，诸如喷墨头、凹版辊、柔性版工具或电子照相工具，在衬底上涂覆所述含纳米粒子层，
-在施加电场之前，含纳米粒子层在衬底上被局部化成与所述几何图案相对应的区域，
-分散材料在施加电场前借助于辐射，例如通过IR、可见光或UV光来处理
-将导电金属纳米粒子用作所述纳米粒子，
-将半导体纳米粒子用作所述纳米粒子，
-将绝缘纳米粒子用作所述纳米粒子，
-将包封纳米粒子-较佳的是用聚合物涂覆的纳米粒子-用作所述纳米粒子，
-形成闭合回路结构，
-用频率至少为1kHz，较佳的是100MHz-5GHz，具体的是100-500MHz的AC，
-利用位于纸、板或塑料衬底上的纳米粒子层，
-利用夹在两绝缘层之间的纳米粒子层。
本装置的各个实施例包括单独的以下内容或其合适的组合：
-用于将电场基本垂直于或平行于含纳米粒子层的平面施加至含纳米粒子层的装置，
-类似探针的电极，它可相对于纳米粒子层在纳米粒子层附近移动，
-衬底容纳装置，所述装置能够使置于所述衬底容纳装置且包括所述含纳米粒子层的衬底和类似探针的电极彼此相对地移动，以便借助于所述移动限定所形成的图案，
-平面或辊状压模，其包括电极，所述电极的形状对应于所述几何图案，
-两个电极辊，它们形成局部化所述电场的辊隙，且所述装置还包括用于通过所述辊隙向含有所述纳米粒子层的衬底馈电以开始所述结构转变的装置，
-辊，其包括导电电极图案，所述导电电极图案的形状对应于所述几何图案的形状，且涂覆有绝缘材料层，
-用于形成诸如电极形状之类的闭环图案以便形成闭环的装置，
-两个相对电极装置，诸如置于含纳米粒子层的不同侧面上的辊，所述电极装置之一设置有电极子单元的阵列，所述电极子单元的电位可单独控制用以产生所需几何图案，另一个电极装置用作对电极，以便垂直于所述含纳米粒子层施加场，
-电极构件，诸如辊，它包括电极子单元阵列和围绕所述子单元的对电极以便施加穿过含有纳米粒子层的横向电场，所述电极子单元的电位可单独控制用以产生所需几何图案，
-可视化工具，其较佳地在IR或可见光范围内工作，用以监视转变过程。
本发明及其实施例提供了显著的优点。具体地，根据本发明的电容性耦合-提供了一种通过非接触方法将印刷的纳米粒子层高效率地且选择地功能化成期望的图案形状的方法。这是因为已建立耦合至含纳米粒子的层的AC场，足以使该层中的结构转变发生，假设施加的AC电压的频率被选择为使得相互作用将足够的能量传递至纳米结构。电压和频率取决于纳米材料的类型及其周围层结构的电性质，因为它们对系统的电容性负载具有影响。
本发明还实现了在大批量生产线中的电功能化的使用，例如以便生产烧结或完全聚结的导体结构。这具有很多优点，因为AC转变过程i)快速(烧结阶段少于一秒)，ii)降低衬底的热负载，因为热量仅集中在被烧结的部分而不是整个结构，iii)允许烧结的线的电导率的在线监视以及iv)例如通过受计算机控制的设备在烧结期间实现导体的图案化。借助于本方法，可在大批量生产线中避免热烧结的长固化时间。
与已知的DC烧结法相比，本发明提供了利用可印刷纳米粒子制造电子模块的不同电结构的可能性。由于其突变性质，结构的形状不仅限于一维，如在本文各方法中所述，而且特别适用于以受控方式生产两维(弯曲、闭合回路等)结构。
辊对辊/喷墨印刷法可单独生产特征尺寸＞50um的图案。使用本发明方法，图案分辨率可低至几微米。
本发明还允许以方便的方式制造闭合回路结构。由于烧结阶段缺乏可良好控制的选择性，在未预先图案化含纳米粒子层的情况下，这通过已知的电烧结方法是不可能的。
相对于热烧结，本发明的另一个好处是降低衬底的热载荷。因此，可使用不能承受超过200摄氏度的衬底(例如，纸、板、很多塑料)。较佳地，该方法是在室温下进行的。
该方法的一个应用是在以金属纳米粒子层覆盖的纸、板或塑料衬底上的导电引线的图案化。激光固化的已知方法也可用于图案化导电结构，但将该图案化方法转移到大量连续的(例如，辊对辊)工艺是有挑战的。本发明所述的方法可容易地应用于辊对辊印刷环境中。
电场较佳地借助于可编程电压电极来施加。类似探针的电极相对于纳米粒子层移动(编程运动)以便形成几何图案。该方法对应于在纸衬底上用铅笔等写入。或者，电场借助于包括电极的辊状压模(印刷圆柱)来施加，该电极的形状对应于几何图案(电极形状编程)。另一个可能性是借助于没有根据几何形状图案化的辊施加电场，而仅将电烧结辊用于烧结，且图案化由其它装置来完成，诸如印刷。由于使用AC场，烧结辊可用绝缘材料层来覆盖。
被烧结的材料(即，形成最终的静态结构)可以是纳米粒子形式的导体，半导体或绝缘体。一般使用包封的纳米粒子，较佳的是以聚合物覆盖的纳米粒子。
较佳的是，将高AC频率用于开始结构转变。“高频率”指的是频率至少是1MHz，一般是100-500MHz或更高，甚至是GHz范围的频率。
较佳的是，纳米粒子层位于绝缘或损耗衬底上，较佳的是纸、板或塑料板上。纳米粒子层可夹在两绝缘层或电损耗层之间，由此使其在机械上安全。
本发明的其它的可任选特征和优点及其实施例从以下的详细描述中变得显而易见。
对于术语“电容性耦合”，我们还指这样的实现：其中AC电场从一侧电阻性地耦合到纳米粒子层(例如，在纳米粒子层被直接印刷到用作一个电极的导电衬底上)，且在功能化时，其它电极远离纳米粒子层。因此，该术语包括所有这样的耦合：其中在纳米粒子层和至少一个电极之间存在AC场可穿透的介电材料。本发明不限于AC场的任一特定励磁方法。
附图说明
参考附图描述本发明的某些有优点的实施例，附图中：
图1A示出在衬底顶部上移动的探针状的写头(write-head)的侧视图，
图1B示出在衬底的顶部上移动的图1a的探针状的写头的俯视图，
图2示出利用本发明的方法和装置形成的结构的例子，
图3示出受计算机控制的烧结设备的一个实施例，
图4描绘具有电图案化和烧结的辊对辊(roll-to-roll)实现，
图5描绘具有电烧结的辊对辊实现，
图6A示出对于垂直辊对辊烧结的像素拓扑，
图6B示出实施垂直辊对辊烧结的装置，
图7A示出对于横向辊对辊烧结的像素拓扑，以及
图7B示出实施横向辊对辊烧结的装置。
实施例的详细描述
本发明提供了一种利用AC电场使纳米粒子层功能化成期望图案的方法。该功能化可包括纳米粒子的微小的、部分的或完全的烧结，以形成导体图案。较佳的是，使用金属纳米粒子，但即使材料不具有金属性质，即，不是能传导DC的，也可应用AC烧结。因此，半导体或电介质材料也可被功能化。还可容忍烧结器件和材料之间的大的间隔，因为利用电容耦合。
适当的金属具体的是银、金、铜、铂、镍、钯、铁、钛、锡及其合金。在半导体的情形中，具体地可参考硅、锗、钛、锌、GaAs以及基于铟的半导体。还可使用氧化物半导体，尤其是二氧化钛和氧化锌。还可与本发明一起使用陶瓷纳米粒子。
如以上简要提及的，本文中功能化具有三个主要的实现。如果纳米粒子(可选的，不考虑其包封层)相互离开足够远，以免相互机械接触，但具有在以影响该层的电性质的方式施加的强AC场下变形的性质，则可发生具有微小程度烧结的功能化。具有部分烧结的功能化意思是相邻纳米粒子的部分聚结所得到的情况。通过完全烧结(或熔化)的功能化表示这样的结构的产物：其中用于形成该层的各个纳米粒子在过程的最后不再可区分，该层一般形成基本均一的层(完全聚结)。所有这三种实现在工业上是可应用且有价值的，并且相对于过程和最终产品具有其特定优点。所有的实现所共有的是它们可借助于施加在纳米粒子层上的电容耦合的AC场来实现。然而，应广义地理解术语“功能化”，它还可包括纳米粒子材料分散阶段，如在某些实施例中，分散和图案化是紧密相关的动作并对所得结构的功能性具有影响。
在描述本发明的实施例时，频繁地使用术语“烧结”。应注意，取决于纳米粒子的类型和密度以及所使用的电设备，通过其它装置的完全或部分烧结或功能化对于各实施例都是可能的。
图1A和1B描绘本发明的一个较佳实施例。这里，本发明以类似探针的方式应用，其中纳米粒子层功能化在AC探针相对于纳米层移动时发生。探针或携带纳米粒子层的印刷表面可进行移动。这里，在其表面上带有纳米粒子层102的衬底101被置于接地平面103上。使探针104接近纳米粒子层，且目的是使探针附近穿过纳米粒子层的电通密度最大化。可选地，可将绝缘膜105置于探针和纳米粒子层之间。AC电流电容性地穿过绝缘层。
可选的绝缘膜105允许探针和待功能化的结构之间方便的机械接触。优点包括由绝缘膜厚度设定的良好控制的电容性耦合。这在例如不平坦的表面轮廓的情形中是有优势的，否则不平坦的表面轮廓将需要垂直探针定位控制机构来防止探针和纳米粒子层之间的直接接触(电短路、纳米粒子层的划伤、变化的电容性耦合)。
AC探针可在纳米粒子层上移动以便形成所要求的图案，功能化层的图案化部分106同时留下其余的未经功能化的层107。可选地，图案化之后，可应用未经烧结材料的去除。
作为一个较佳的应用，本发明可用于在未经烧结的金属纳米粒子层中(经由烧结)形成电导体。图2示出利用本发明的方法在沉积在纸衬底上的未经烧结的银纳米粒子层107中图案化的脉冲和正方形导体106的IR图像。图案化是利用AC探针在300MHz频率下实现的。在图案化之后，为了示范的目的，导体通过导致纳米粒子层的导电部分发热并使得导体在红外频率下变得可见的DC电流来示出(图2中的图像是利用带有约10um波长的峰值灵敏度的IR照相机取得的)。
该实施例的优点之一是线宽基本上由探针针头的宽度确定。另一个优点是在形成先前制造的电结构之间的互连时此方法的适用性。又一个优点是形成如图2所描绘的闭合回路结构的可能性。
图3示出带有诸如喷墨头之类的材料分散器401和任意数量的仪器402和403的较佳的探针烧结设备。所述仪器可以是例如用于可视化(例如，在IR或可见光)的带有适当光学放大率的照相机或用于热处理以便干燥墨的溶剂的光/激光源(IR、可见或UV)。AC探针405和相关的电源406用于所沉积结构的电功能化。整个设备是受计算机404控制的。在该设备中，印刷台407以及印刷、功能化和可视化设备401-406可包括定位机构(例如，xyz定位器)。
在以上和下文中公开的所有场施加实施例中，可使用本领域中已知和适用于纳米粒子应用的的任何材料分散器。然而，较佳的仪器包括喷墨头、凹版辊、柔性版辊或电子照相工具。在大批量生产中非常重要的是方法，其中在材料分散和场施加两个阶段中的辊对辊法。借助于本发明的实施例，可实现例如用于印刷电子电路的新颖且高效率的生产线。
电场可利用辊之类来施加，较佳地使得包括先前涂覆的纳米粒子层的衬底通过由两个辊形成的辊隙而移动。因此，电场在所述辊隙中局部化，电场方向垂直于衬底(从一个辊至另一个辊的电场)或在衬底的平面中(辊“内”的电场)。
图4示出本发明的另一个较佳的辊对辊实施例。这里印刷衬底306从第一辊301穿过处理阶段302和303/304移动到最后的辊305。第一处理阶段302用于以纳米粒子层307涂覆衬底306。例如，可在第一处理阶段中使用纳米粒子墨或分散剂。作为图4所示的辊302的选择，第一处理阶段可包括用于纳米粒子沉积的喷墨头或其它装置。在处理阶段302和303/304之间，纳米粒子涂层(诸如墨或分散剂)的液态溶剂充分干燥以留下未经烧结的纳米粒子层。可在阶段302和303/304之间采用加热阶段(例如，加热炉或IR炉)，以加强干燥。第二处理阶段303/304是辊对辊烧结/图案化阶段。在该阶段中，下辊304或至少其表面是导电且接地的。将AC电流馈送至烧结阶段的上辊303，其被构造成使得电流主要穿过烧结辊303的表面上的图案化结构311。例如，辊303可由单个导电材料形成，并使其表面成形为使得图案化结构311呈现为辊表面上的凸起。此外，辊303的表面的图案化部分311也可用绝缘材料来覆盖，以进一步加强通过图案化结构311的电接触。或者，如图1的情形，烧结辊可由薄介电层308覆盖。此外，生产线可包括薄介电层沉积或层叠在待电功能化的层的顶部的选择。在经历烧结阶段303/304后，印刷衬底的表面包括经烧结的309和未经烧结的310材料区。如果需要的话，可在烧结阶段303/304后增加去除未经烧结的材料的处理阶段。
图1和4中的某些部分具有类似的作用：
·接地面或辊： 103 ↔ 304
·衬底： 101 ↔ 306
·纳米粒子层： 102 ↔ 307
·介电层： 105 ↔ 308
·经烧结的结构： 106 ↔ 309
·未经烧结的结构： 107 ↔ 310
图5中所示的另一个较佳的辊对辊实施例与图4的不同之处在于图案化在第一处理阶段完成，在第二处理阶段仅进行烧结。这里第一处理阶段可以是例如普通的辊对辊凹版阶段。第二处理阶段的烧结现在可利用具有未经图案化的表面的导电辊来完成。相对于图4，本实施例的主要优点在于不需要去除未经烧结的材料。
可调节烧结功率，使得完全的烧结不是唯一的选择。例如，可将串联电阻器用于设定最终导体结构的电阻率水平。
可穿过纳米粒子层垂直于或平行于层的平面来施加电场。以下描述的是在线可编程功能化法一即采用例如可利用计算机方便地调节的图案化工具的方法一的较佳实施例。
图6和7描述利用在线可编程辊对辊功能化的两种可能的方法。在图6所示的方法中，像素120、121(辊上很小的金属板，各自具有其自身的电馈线)仅由防止分离的像素短路的非常薄的绝缘体122分离。通过控制向那些像素120馈送AC电压，并使其它像素121保持为接地电位，当衬底在带有带有AC电压像素的辊和接地辊123之间穿过时，由带有AC电压的像素120确定的图案124将在纳米粒子层上功能化。通过将相邻的像素编程为带有AC电压的，可在纳米粒子层中获取连续的功能化迹线124(例如，导线)。
一般而言，图6的方法是利用可编程、垂直于衬底的场的一个例子，垂直于衬底的场利用放置在含纳米粒子的层的不同侧面上的两个电极装置，电极装置之一设置有电极子单元的阵列，其电位可单独地控制，用于产生所要求的几何图案，另一个电极装置用作对电极。
在图7所示的方法中，各个像素120、121由保持在接地电位的引线125的栅格围绕的非常小的衬垫(或探针针头末端)形成。在这种情形中，电场不指向每一个像素和分离的接地圆柱之间，而是沿小的中心衬垫和衬垫周围的接地之间的横向方向。这样，电场不需要穿过纳米粒子层和衬底。通过控制那些电极是带有AC电压的(像素各自具有其自身的电馈送线)，并将其它121保持为接点电位，当衬底与圆柱接触时，由带有AC电压像素120确定的图案124将在纳米粒子层上功能化。通过将相邻的像素编程为带有AC电压的，可在纳米粒子层中获取连续的功能化迹线124(例如，导线)。
图7因此表示利用电极构件平行(横向)于衬底施加电场的方法和装置，该电极构件包括电极子单元和围绕该子单元的对电极的阵列，该电极子单元的电位可单独控制，用以产生所要求的几何图案。
还可利用可编程或非可编程平面应用工具，诸如电极板等电场施加器，来代替辊对辊法。然而，辊对辊法提供了用于大批量生产目的增加的速度水平。

Claims (15)

1.一种用于纳米粒子系统功能化的方法，其包括处理含纳米粒子的层，以便产生结构转变区的图案，所述处理包括施加穿过纳米粒子层的电场，其特征在于使用AC场作为所述电场，所述场与所述纳米粒子层电容性耦合。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用足以烧结或完全聚结所述纳米粒子的电场。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基本上平行于或垂直于所述含纳米粒子层的平面施加所述电场。
4.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，利用诸如板或辊状压模之类的包括其形状对应于所述几何图案的图案化电极的电极装置来施加电场。
5.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，利用辊对辊法施加电场，所述辊对辊法中包括所述纳米粒子层的衬底穿过由所述辊形成的辊隙移动，所述电场局部化在所述辊隙中。
6.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，利用两个相对电极装置施加电场，所述两个相对的电极装置诸如设置在所述含纳米粒子层的不同侧面上的辊，所述电极装置之一设置有电极子单元的阵列，所述各电极子单元的电位可单独控制用以产生所需的几何图案，另一个电极装置用作对电极，以便垂直于所述含纳米粒子的层施加场。
7.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其特征在于，利用电极构件，诸如辊，施加电场，所述电极构件包括电极子单元阵列和围绕所述子单元的对电极以便施加穿过含有纳米粒子的层的横向电场，所述电极子单元的电位可单独控制用以产生所需几何图案。
8.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，借助于类似探针的电极施加电场，所述类似探针的电极相对于所述纳米粒子层并在其附近移动以便形成所述几何图案。
9.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在利用电场施加装置施加所述电场的同时，监视由所述电场施加装置观察到的AC阻抗，并且较佳的是当达到所需阻抗级尤其是其电阻部分时，停止所述转变过程。
10.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，将包封的金属或半导体纳米粒子-较佳的是用聚合物覆盖-用作所述纳米粒子。
11.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述几何图案包括闭合回路结构。
12.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述纳米粒子层位于纸、板或塑料衬底上。
13.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，使用其形状对应于所期望的结构转变图案的局部电场。
14.一种用于纳米粒子系统功能化的装置，所述装置包括用于处理含纳米粒子的层以便产生具有改变的电性质的结构转变区的图案的装置，其特征在于，所述用于处理的装置包括用于将AC电场电容性耦合至所述纳米粒子层的装置。
15.将如权利要求1-13中的任一项所述方法或如权利要求14所述装置用于在衬底上生产印刷电子电路。
CN200810109970XA 2007-06-08 2008-06-06 关于纳米粒子系统的方法和装置 Expired - Fee Related CN101325151B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20075428A FI122014B (fi) 2007-06-08 2007-06-08 Menetelmä ja laite nanopartikkelijärjestelmien toiminnallistamiseksi
FI20075428 2007-06-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101325151A true CN101325151A (zh) 2008-12-17
CN101325151B CN101325151B (zh) 2012-10-17

Family

ID=38212399

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200810109970XA Expired - Fee Related CN101325151B (zh) 2007-06-08 2008-06-06 关于纳米粒子系统的方法和装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8916089B2 (zh)
EP (1) EP2001272B1 (zh)
CN (1) CN101325151B (zh)
AT (1) ATE531243T1 (zh)
FI (1) FI122014B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108226095A (zh) * 2017-12-27 2018-06-29 南京大学 单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置及方法
CN109467046A (zh) * 2018-09-28 2019-03-15 西安交通大学 基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI122009B (fi) * 2007-06-08 2011-07-15 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Nanopartikkeleihin perustuvat rakenteet ja menetelmä niiden valmistamiseksi
FI20086222A (fi) 2008-12-22 2010-06-23 Valtion Teknillinen Radiotaajuustransponderi puutuotteiden merkitsemiseksi ja menetelmä sen valmistamiseksi
FI124372B (fi) 2009-11-13 2014-07-31 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Kerrostettuihin partikkeleihin liittyvä menetelmä ja tuotteet
US8461698B1 (en) * 2010-09-28 2013-06-11 Rockwell Collins, Inc. PCB external ground plane via conductive coating
GB201211786D0 (en) * 2012-07-03 2012-08-15 Cambridge Display Tech Ltd Organic electronic device manufacturing techniques
GB201316815D0 (en) 2013-09-23 2013-11-06 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and method
WO2015061661A1 (en) * 2013-10-25 2015-04-30 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Methods and systems for orienting nanomaterials
CN104749270B (zh) * 2013-12-27 2017-09-12 内蒙古出入境检验检疫局检验检疫技术中心 动物源食品中两对糖皮质激素同分异构体的同时检测方法
DE102016200324A1 (de) * 2016-01-14 2017-07-20 MTU Aero Engines AG Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration wenigstens eines Werkstoffs in einem Pulver für ein additives Herstellverfahren
US20190091768A1 (en) * 2017-09-27 2019-03-28 U.S. Army Research Laboratory Attn: Rdrl-Loc-I Rapid additive sintering of materials using electric fields
US11740399B2 (en) * 2018-02-06 2023-08-29 Raytheon Company Low cost dispersive optical elements

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5416569A (en) * 1991-01-04 1995-05-16 Goldberg; Michael Electrographically making devices having electrically conductive paths corresponding to those graphically represented on a mask
JP3129879B2 (ja) 1993-06-03 2001-01-31 ノーリツ鋼機株式会社 感光材料処理装置
US5906042A (en) 1995-10-04 1999-05-25 Prolinx Labs Corporation Method and structure to interconnect traces of two conductive layers in a printed circuit board
CN1177361C (zh) * 2002-02-05 2004-11-24 复旦大学 采用电诱导生长技术制作有机导线的方法
US6807079B2 (en) * 2002-11-01 2004-10-19 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Device having a state dependent upon the state of particles dispersed in a carrier
AU2002351391A1 (en) * 2002-12-18 2004-07-22 International Business Machines Corporation Method of self-assembling electronic circuitry and circuits formed thereby
US20040251581A1 (en) * 2003-06-16 2004-12-16 Jang Bor Z. Micro- and nano-fabrication using focused plasma assisted vapor deposition
CN100477287C (zh) 2003-12-18 2009-04-08 戴索有限公司 用于纳米颗粒层的电解工程的方法
DE102004020497B8 (de) 2004-04-26 2006-06-14 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Herstellung von Durchkontaktierungen und Halbleiterbauteil mit derartigen Durchkontaktierungen
KR101423204B1 (ko) 2005-07-01 2014-07-25 내셔널 유니버시티 오브 싱가포르 전기 전도성 복합체
WO2007038950A1 (en) 2005-09-28 2007-04-12 Stichting Dutch Polymer Institute Method for generation of metal surface structures and apparatus therefor
FI121562B (fi) 2006-07-21 2010-12-31 Valtion Teknillinen Menetelmä johteiden ja puolijohteiden valmistamiseksi
US9011762B2 (en) * 2006-07-21 2015-04-21 Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus Method for manufacturing conductors and semiconductors

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108226095A (zh) * 2017-12-27 2018-06-29 南京大学 单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置及方法
CN108226095B (zh) * 2017-12-27 2020-09-08 南京大学 单个纳米粒子的电化学阻抗谱测定装置及方法
CN109467046A (zh) * 2018-09-28 2019-03-15 西安交通大学 基于纳米粒子三维微纳结构化排布的复合材料制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
FI20075428A0 (fi) 2007-06-08
US8916089B2 (en) 2014-12-23
US20090016924A1 (en) 2009-01-15
EP2001272A2 (en) 2008-12-10
EP2001272A3 (en) 2010-02-24
CN101325151B (zh) 2012-10-17
EP2001272B1 (en) 2011-10-26
ATE531243T1 (de) 2011-11-15
FI122014B (fi) 2011-07-15
FI20075428A (fi) 2008-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101325151B (zh) 关于纳米粒子系统的方法和装置
US9011762B2 (en) Method for manufacturing conductors and semiconductors
US10237975B2 (en) Method of making transparent conductive electrodes comprising merged metal nanowires
Lee et al. Versatile metal nanowiring platform for large-scale nano-and opto-electronic devices
Son et al. Application of flash-light sintering method to flexible inkjet printing using anti-oxidant copper nanoparticles
CN105453001B (zh) 将电子部件粘结到图案化纳米线透明导体
Öhlund et al. Inkjet fabrication of copper patterns for flexible electronics: using paper with active precoatings
US9496062B2 (en) Method of making merged junction in metal nanowires
Kim et al. The effect of poly (N-vinylpyrrolidone) molecular weight on flash light sintering of copper nanopaste
Wang et al. Programmed ultrafast scan welding of Cu nanowire networks with a pulsed ultraviolet laser beam for transparent conductive electrodes and flexible circuits
US20110283533A1 (en) Method for generation of electrically conducting surface structures, apparatus therefor and use
Hwang et al. Recycling silver nanoparticle debris from laser ablation of silver nanowire in liquid media toward minimum material waste
Valasma et al. Grid-type transparent conductive thin films of carbon nanotubes as capacitive touch sensors
Wang et al. Facile transfer of a transparent silver nanowire pattern to a soft substrate using graphene oxide as a double-sided adhesion-tuning layer
CN101325177A (zh) 形成导体结构的方法及其应用
CN1871047B (zh) 在经掺杂的聚合物上形成可电接触部位的方法以及由该方法制成的成形体
FI20060697A (fi) Menetelmä johteiden ja puolijohteiden valmistamiseksi
KR101855347B1 (ko) 비전도성 기판상의 전기장을 이용한 분산입자 패턴 제조방법
KR101297084B1 (ko) 투명 전도성 필름，투명 전도성 필름의 제조 장치，및 투명 전도성 필름의 제조 방법
US10710281B2 (en) Electric field “Z” direction alignment of nanoparticles in polymer solutions
McGhee Conducting metal oxide materials for printed electronics
Yun et al. Flashlight-Induced Explosive Chemical Reaction for Fabrication of Flameproof Nickel Electrode
CN107222977A (zh) 一种在陶瓷表面生成电路的工艺和陶瓷电路器件
Swenson et al. Laser processing of direct-write Nano-sized materials
Jeong Self-healing of Direct Written Conductive Inks for Curvilinear Circuits

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20121017

Termination date: 20170606