CN101443483B - 金属纳米材料合成物的电、镀敷和催化使用 - Google Patents

Abstract

本发明通常涉及新颖纳米材料合成物的使用和使用它们的系统，更具体而言涉及通常包括碳和金属的纳米材料合成物，所述合成物可以被暴露到脉冲发射以使所述纳米材料合成物反应、激活、结合或烧结。可以可选地在环境温度或基于其它方法利用所述纳米材料合成物以引起这样的反应、激活、结合或烧结发生。

Description

金属纳米材料合成物的电、镀敷和催化使用

相关申请的交叉引用

本申请要求在先提交的由Kurt A.Schroder，Karl M.Martin，DennisE.Wilson，Darrin L.Willauer，Dennis W.Hamill和Kevin C.Walter作为发明人的名称为“Electrical，Plating and Catalytic Uses of MetalNanomaterial Composition”的美国专利申请No.60/630,988(2004年11月24日提交)以及由Steven C.McCool，Kurt A.Schroder和Dennis E.Wilson作为发明人的名称为“Method and System for Reacting，Activating andSintering Nanomaterials”的美国专利申请No.60/668,240(2005年4月4日提交)的优先权。

本申请还涉及下列专利申请：

由Kurt Schroder和Karl Matthew Martin作为发明人的名称为“Carbon and Metal Nanomaterial Composition and Synthesis”的2005年8月4日提交的PCT专利申请No.PCT/US2005/027711(“PCT 05/027711申请”)，该PCT专利申请要求在先提交的美国专利申请Nos.60/598,784(2005年8月4日提交)和60/620,181(2004年10月19日提交)的优先权，这两个临时专利申请具有与PCT 05/027711申请相同的名称和发明人。

由Kurt Schroder和Doug Jackson作为发明人的名称为“NanopowderSynthesis Using Pulsed Arc Discharge and Applied Magnetic Field”的2003年9月24日提交的美国专利申请No.10/669,858。

由Kurt Schroder和Doug Jackson作为发明人的名称为“RadialPulsed Arc Discharge Gun for Synthesizing Nanopowders”的2004年8月17日授权的美国专利No.6,777,639。

上面注明的每一个申请和专利都被受让给本发明的受让人，在这里引用它们作为参考。

技术领域

本发明通常涉及新型纳米材料合成物和其中使用它们的系统的使用，更具体而言涉及通常包括碳和金属的纳米材料合成物，可以将所述合成物暴露到脉冲辐射以反应、激活、结合或烧结所述纳米材料合成物。可选地可以在环境温度或基于其它方法利用所述纳米材料合成物以引起这样的反应、激活、结合或烧结发生。

背景技术

在材料加工领域中，通常加热材料以引起材料形态的特定的变化、发生特定的反应或引起相变。例如，在导电构图领域中，在基底上覆盖含有银片或粉末的制剂或墨，然后加热以使颗粒熔化并形成导电线路。在这种情况下，要求制剂是流体并且通常是绝缘的以便印刷图形，而在加工结束时其必须是固体并且是高导电的。热改变银的形态以给出希望的结果。对于银墨，墨和基底必须被加热到达的以固化墨的温度是银的烧结温度的函数。对于银，熔化温度约为960℃并且烧结温度约为800℃。该高温将基底限制为不受高温影响的材料。许多低成本或挠性基底例如纤维素(纸)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酯以及许多其它塑料不能经受住这些温度。相似地，在基底上的其它元件例如有机半导体在升高的温度下同样会分解。

克服该限制的一种方法为使用耐较高温度的基底例如聚酰亚胺膜。虽然该方法提供耐中度高温的挠性基底，但不足够高以形成高导电膜。此外，该方法昂贵，不适合低成本应用。

解决该问题的另一方法为在在固化期间收缩的树脂或聚合物中使用银片的高填充。该方法迫使银片在一起，使其形成电接触。Dow Corning的商品名为PI-2000Highly Conductive Silver Ink已经证明了该方法。虽然该产品看来似乎在一些应用中起作用，但是因为不能被喷墨，所以该方法具有一些局限。

解决该温度限制的另一方法为使用由于其小的尺寸而呈现降低的烧结温度的纳米金属。通过将加工温度降低为约300℃-约700℃，该方法已经显示出改善。通常，为了利用降低的烧结温度，颗粒必须是分散的。多数纳米金属合成方法例如溶胶-凝胶法需要颗粒的化学表面功能化以保持颗粒分散并防止它们自发地熔化。通常需要在比银的烧结温度高的升高的温度下挥发该化学表面功能化。即使表面功能化被设计为在烧结温度以下蒸发，烧结温度仍太高，以致不能使用一些耐较低温度的基底。当工业界尝试降低加工温度时，其常常以图形的导电性为代价而实现。虽然可以使用较低的加工温度，但结果通常为具有不充足的导电性的图形。

虽然已关于导电墨描述了上述实例，但存在其中存在相同问题的相似的应用。例如，在催化应用中，通常将催化剂接合到耐高温基底。为了以可接受的速率发生反应，催化剂必须处于升高的温度下。这些耐高温基底通常是昂贵的并且希望用耐较低温的基底取代它们。因为纳米材料的高反应性和较低的反应温度，所以纳米材料已开始用于这些应用中。然而，它们仍然必须工作在典型地在较低成本的基底的工作温度之上的温度下。

因此，在本领域中存在在较低温度下加工材料以允许使用更经济的基底的需要。更具体而言，在导电构图市场中存在在耐低温基底上制造高导电性图形的需要。

发明内容

本发明通常涉及新颖的纳米材料合成物的使用，所述纳米材料合成物由相对非聚集的金属颗粒组成。PCT 05/027711申请中描述的方法制造这样的新型材料，所述新材料中的一些合成物由碳和金属组成而其它的由氧化物和金属组成。在这些材料自身是独特和新颖的同时，这些材料可以用于独特和新颖的应用中。此外，一些用途已显示出与其它纳米材料一起起作用。通过开发纳米材料中存在的独特的材料特性，实现新的用途。具体而言，已观察到纳米材料具有允许它们用于电和催化应用的属性和特性的独特的组合。

本发明可以开发这些特性并揭示在导电构图领域中的新颖的用途。例如，本发明可以涉及在室温或相对低的温度下使用纳米金属产生导电图形、结合纳米金属使用光子固化方法以产生高导电图形，以及结合静电复印印刷技术使用纳米金属。

本发明的一个实施例使用碳/金属合成物以在室温下产生导电图形。这通过材料在水中的任一简单分散体然后在纸基底上印刷分散体来实现。使用其它分散体技术也可实现在室温下在其它基底上形成导电图形。

本发明的另一实施例通常涉及用于反应、激活或烧结纳米材料及其组合的新颖的方法。例如，本发明可以涉及纳米金属粉末例如纳米金属的加工。可以使用的材料的实例为金属例如但不限于银、铜、金、铂、钯、锡、锑、铟以及铅。在本发明中纳米(nano)是指具有小于约1微米的尺寸的材料的至少一个方面。通常，该尺寸小于约500nm，甚至小于约100nm。

申请人已经观察到，一些纳米颗粒，包括多数金属纳米颗粒，通常非常能吸收光子辐射。即，颗粒表现为优良的黑体并具有对电磁辐射的高吸收率。此外，与体材料相比，纳米颗粒倾向于具有较低的反射率和较差的导热性。与微米或更大尺寸的颗粒相比，纳米颗粒还分别地具有大得多的表面积与质量比和低的热质量。这些性质表明用脉冲光子源更具体而言广播(broadcast)光子源对纳米颗粒的辐照可以瞬时地将颗粒加热至非常高的温度。(“光子源”为处于这样的电磁谱的辐射源，该电磁谱包括但不限于γ射线、x射线，紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波或其组合。)该效应是非常有利的，如下面列出的几个实例所述。

本发明通过提供用于加工纳米材料的新颖的方法和系统，克服了现有技术中描述的限制。本发明使用高功率脉冲光子源加工纳米颗粒，同时最低限度地影响基底。通过这样的方法，克服了现有技术的限制。在本发明中，在表面上制造包含纳米材料的膜或图形。可以使用这样的技术例如喷墨、丝网印刷、凹版印刷、静电复印、压印(stamp)、苯胺印刷、胶版印刷、涂抹(painting)、喷枪喷涂(airbrushing)等等，制造这样的膜或图形。所述膜或图形一旦在基底上已干燥，使所述图形经受高功率脉冲光子发射源。纳米材料的高吸收率和颗粒的低热质量使它们被快速地加热，而差的导热性和短脉冲长度抑制纳米颗粒向它们的周围传递热的能力。结果是，颗粒温度快速地提高到使颗粒熔化的温度。基底的差的传导性、低吸收率以及高的热质量确保来自光子脉冲的大量的能量用于加热颗粒，而最少的能量被传递到基底或周围元件。

通过使用在膜或图形上聚焦能量的方法和系统，本发明克服了现有技术的局限。

在又一实施例中，结合光子源将纳米金属用于催化应用。具体而言，这可以在比现有技术低得多的温度下实现。

附图说明

图1反映了使用本发明加工的在PET上的一部分导电膜；

图2示出了具有固化的中心区域的另一膜；

图3示出了仅仅光子地固化膜的右半边的实例；

图4示出了通过优化颗粒氧化物层和光子条件以便接近体铜的导电性而获得的本发明的样品；

图5示出了本发明的实施例的方法图；以及

图6示出了制造系统的示意图。

具体实施方式

环境固化导电墨

特别地通过碳/金属纳米合成物材料实现的一种新颖的用途为无电淀积/镀敷/印刷。在本发明的一个实施例中，用将固化并具有金属导电性而不需要热固化(即环境室温)的银/碳纳米合成物材料制成导电墨。这样的墨可用于制造金属图形。

在一个实施例中，使银/碳合成物与去离子水结合，然后在回转混合器中使用氧化锆珠混合。然后在纸基底上印刷分散体或墨。当分散体干燥时，材料将从黑色变为银色。此外，电阻率将从无限降至约为体银的5倍。一旦干燥，图形具有良好的粘附性和长期的导电性。

假定碳、银以及纸的独特的组合能够使高导电图形得以制造。相信水进入纸中的毛细作用可以产生迫使颗粒亲密接触的流体静压力梯度。此外，使银颗粒保持分离的碳在水中看来似乎更加可分散并倾向于被水毛细吸出，使得裸银颗粒与纸纤维接触。当彼此接触时，裸银颗粒将通过熔化减小它们的表面能，由此形成接合到纸纤维的高导电图形。下列实例示例了本发明的实施例。

实例1

环境温度固化银墨。墨由下列成分组成：

用于环境固化的纳米Ag颗粒分散体：

Ag纳米颗粒(25-150nm BET)      15-45g

去离子水                      85-65g

氧化锆研磨珠0.1-1.2mm         100-150g

用回转混合作用混合            30-120分钟

用#10绕线棒在Epson Photo Quality纸上绘下(1.0mil湿的)墨以获得0.09mil(2.3微米)的干燥膜厚度。在10-30分钟内获得如表1A中所示的导电性。

然而，对其它无孔的基底例如PET应用该方法，却不能获得导电性，如表1B中所示例的。

使用另一方法以解决在无孔的基底上涂覆的该导电性问题。在该实施例中，银/碳合成物悬浮在适宜的溶剂例如酒精中。用酸例如HCL处理悬浊液。HCL可以蚀刻在银的表面上存在的任何氧化物并帮助静电地稳定颗粒。然后将溶液声波处理并使用各种印刷技术——例如喷墨、丝网转移、凹版印刷——将溶液涂抹或印刷到不导电的表面例如纸、塑料或玻璃上。在环境温度下，溶液可以在几分钟内干燥，所淀积的材料可以变为导电的。使用该方法已获得低达36微欧姆·cm的电阻率(约为固体银电阻率的23倍)。通过将样品稍稍加热至约90℃保持30分钟，可以得到进一步的改善。在约25℃至约150℃的温度范围内进行测试，在整个温度范围内都可以看到改善。该方法的优点在于，溶剂在环境温度下蒸发，在环境温度下留下最终烧结的裸银颗粒以形成导电通路。

实例2

通过施加比目前烧结片银所需要的700℃低得多的低温，可以改善该方法。表2A-2C中示出的实例2示例了在聚脂薄膜(Mylar)上该实施例的结果。

还可以将本发明的实施例用于镀敷金属例如铜或钢。当镀敷金属时，HCL的优点为可以在单个步骤中酸浸和镀敷基底。该方法的另一优点为，如果需要，镀敷的厚度可以非常厚。在单个流程(pass)中可淀积100微米厚的层。然而，可以使用多个较薄的淀积获得较高的导电性。因为银可以形成多孔、三维烧结的网络，镀敷的材料可以稍稍压缩或变形以符合表面。这可以形成优越的电或热接触。当允许包含银分散体的瓶(vial)干燥时，会留下多孔的银“海绵体”。

在又一实施例中，在该网络中设置其它材料或颗粒，以给出具有独特特性的涂层。一个实例可以为用银溶液分散其它颗粒或纤维例如氧化铝或氧化锆。最终的涂层为导电并耐刮擦的。这是滑动电接触所希望的。

应该注意，因为与其它金属纳米颗粒导电墨相比，该颗粒相对地缺乏有机配位体，所以该碳/银合成物很适合环境热固化导电墨应用。这意味着诱导颗粒一起开始熔化所需要的就是溶剂的蒸发。利用使有机物附着到其的墨，在接下来发生的对纳米颗粒的烧结之前通常需要典型地大于300℃的热源以驱散或挥发有机物。由于增加了附加的工艺步骤，因此这通常是不希望的。加热还潜在地损伤基底和电路中的其它元件(例如有机基器件)。可以使用通过在表面上相对洁净的其它方法制造的任何包含颗粒的墨来制造无或低热固化墨。

通过上述信息，本领域的技术人员可以认识到本发明的影响在于本发明允许使用目前常用的热固化工艺所不能使用的耐低温基底。这通过显著降低生产和产品成本打开了新的市场。通常，耐低温基底没有耐高温基底昂贵。此外，省去了与购买和在升高的温度下操作热炉有关的成本。下列实例示例了本发明的实施例。

实例3

将具有2％碳含量的1g的30nm银注入到包含2g的异丙醇和.25g的37％的盐酸(剩余的为水)的瓶中，生成环境固化银涂料。在浴器中震动并声波处理混合物30秒。使用1/4”宽的画笔在一张影印纸或相似的多孔基底上涂抹分散体。(当干燥时)涂抹的痕迹约4微米厚，几英寸长并且约7mm宽。紧接在施加之后的痕迹的电阻大于20兆欧姆(超过了欧姆表的范围)。经过接下来的两到三分钟，异丙醇和盐酸开始蒸发。在这段时间期间，电阻单调地下降到几欧姆每痕迹英寸。在施加之后20分钟，导电性变为其最终值的50％以内；并且经过几个小时的一段时间，电阻继续降低到约0.6欧姆每痕迹英寸。这对应于约67微欧姆·cm的电阻率或电阻性比固体银痕迹高约45倍。在其它单位(unit)中，该痕迹的电阻为约30毫欧姆/sq/mil。在该整个时间段期间的温度为约25摄氏度。不需要热固化。痕迹看起来被接合到纸并且仅仅当纸的弯曲半径小于1毫米即锐边时剥离。透明胶带不能从纸上扯下痕迹。用于涂抹痕迹的液体分散体在其合成后提供至少3天的一致的导电性结果。该实例与丝网或凹版印刷方法相似。

实例4

多个层。用实例1的技术和墨分散体覆盖银纳米颗粒的薄膜。在几小时之后，4英寸长的痕迹的电阻为7.6欧姆。在该痕迹的顶上直接涂抹相似的痕迹。在几个小时之后，4英寸长的痕迹的电阻仅为1.0欧姆。

实例5

无热固化喷墨印刷。除了将4g的异丙醇用于降低粘度以再填充EpsonStylus Photo 925 printer的墨盒以外，使用与实例1相同的配方。使用该印刷机印刷窄至100微米的银线路。

本领域的技术人员将认识到该方法可以应用到其它金属。铜是一个好的实例。在该实施例中，两种方法形成非聚集的纳米粉末；一种使用碳，而另一种通过在制造工艺期间引入痕量的氧以产生围绕铜颗粒的氧化物壳。在这两种情况下，纳米颗粒是相对地非聚集的。在该情况下，刚制成的膜是不导电的，但在惰性气氛中在约150℃下加热时是导电的。在铜的情况下，材料如此容易氧化，以致如果不使用惰性气氛，则形成非导电的铜氧化物。

静电复印印刷

虽然前面的实施例可以使用接下来被印刷的分散在溶剂中的纳米金属，但是存在其它的使用干燥粉末的印刷方法。例如，激光印刷或静电复印印刷典型地使用这样的粉末或调色剂，该粉末或调色剂被静电淀积到基底上然后被加热从而熔化粉末的颗粒以产生需要的图像。预设方法的一个材料属性在于粉末具有高的电阻率，以便其可带有静电。因此，在该方法中不使用金属粉末。

因为粉末具有非常高的和可控的电阻率，所以纳米金属粉末，特别地碳/金属合成物材料很适合于该应用。这允许在静电复印方法中静电地转移纳米金属粉末以直接印刷金属粉末。在将纳米颗粒转移到印刷机之后，可以使用各种方法例如热、激光、离子束或紫外线、红外线或(下面描述的)光子固化来烧结纳米颗粒以形成导电通路。因此，通过纳米材料得到了产生图形的一种新方法。下列实例示范了本发明的不同实施例。

实例6

去除并用具有30％碳含量的10nm银替代来自IBM Laser printer E即Lexmark Type 4019-E01 laser printer的墨盒的调色剂。体银粉末具有非常高的电阻。以探针间隔3/8英寸、探针深度1/2英寸的方式将欧姆表的两个探针浸入到粉末的瓶中，电阻大于20兆欧姆(欧姆表的最大量程)。使印刷机的热加热元件不能阻止银的过早的氧化(burning)。在一张规则的复印纸上记录银粉末的成功转移。然后需要使该张纸上的该银被烧结以便导电。这可使用各种技术来完成，这些技术包括但不限于机械压力、微波、电阻焊接、超声焊接或辐射方法例如在下面的金属纳米颗粒的光子激活部分中描述的激光烧结或闪光灯。用使用这些烧结技术的该粉末镀敷对象例如塑料、木头、纺织品以及其它金属。

虽然碳金属合成物纳米材料特别地应为用于印刷导电通路的静电复印印刷调色剂成分，但是如果其它材料可以制造为在处于体粉末形式时具有非常高的电阻性并且可以制造成在印刷之后变得导电，那么它们也是适合的。实例可包括被涂覆有在印刷之后可以挥发或反应完(react off)的薄介电材料的金属颗粒粉末以形成导电通路。一个实例为具有氧化物层的铜纳米颗粒。注意，这需要在惰性气氛中进行固化以阻止形成氧化铜。幸运地，下述的技术能够在空气中固化膜。

金属纳米颗粒的光子激活

本发明的另一实施例包括一种加工纳米材料以产生导电图形的方法和系统。加工纳米材料的方法和系统利用纳米颗粒与微米或体材料相比的独特的特性。例如，与体材料特性相比，纳米颗粒倾向于具有低的反射率、高的吸收率、降低的烧结温度、较高的反应性和差的导热性。本发明使用高功率的脉冲广播光子源来加工纳米颗粒，同时最小限度地影响基底，因此克服了现有技术的限制。

在本发明中，在表面上制造包含纳米材料的膜或图形。可以使用这样的技术例如喷墨、丝网印刷、凹版印刷、静电复印、压印、苯胺印刷、胶版印刷、涂抹、喷枪喷涂等等，制造这样的膜或图形。一旦膜或图形在基底上干燥，使图形经受高功率的脉冲光子发射源。纳米颗粒的高吸收率和颗粒的低热质量使它们被快速地加热，而差的导热性和短的脉冲长度阻止纳米颗粒向它们的周围传递热的能力。结果为，颗粒的温度快速提高到能够使其熔化的温度。基底的差的导热性、低的吸收率以及高热质量确保大量的来自光子脉冲的能量用于加热颗粒而最少的能量被传递到基底或周围元件。总之，能量传递到颗粒发生得如此之快，以致颗粒在它们有时间把它们的热量传递到基底之前就熔化了。纳米颗粒的该固有鉴别能力允许脉冲广播发射以单次闪光固化大的复杂印刷图形而不会损伤基底。典型地，该技术在基底上淀积1J/cm^2的量级。在所使用的脉冲长度，这通常低于基底的损伤水平。对于使用连续激光来烧结金属纳米颗粒膜的系统，需要100焦耳/cm^2的量级。因为这涉及淀积高得多的面能量密度，所以通常需要使激光仅仅邻近图形地聚焦在基底的印刷图形上，否则将损伤基底。此外，激光固化是连续的工艺，需要昂贵的设备和精密对准的光学系统。当需要的面能量密度低时可以使用脉冲激光实现上述过程，并且当以重复的方式固化小的面积时这样的技术甚至是优选的。当将被固化的面积变得较大时，脉冲激光系统是较不理想的。在该情况下，来自气体放电的脉冲发射例如氙闪光灯变得更理想。对此的原因主要为经济上的，因为气体放电灯系统的硬件便宜并具有高的电至光转换效率。通过闪光灯常常被用于光学地泵浦激光系统的事实，可以证明这一点。此外，气体放电灯系统不需要基于激光的系统所需要的复杂的光学系统和精密对准。另外，脉冲固态和其它脉冲发射源日益变得越来越经济。可以平行地使用多个发射源以获得广播效果。因为该固化技术不在基底或周围的元件上设置显著的热负载，所以多层电路，甚至具有嵌入的器件的多层电路，其在热脆性基底例如纸或塑料上变得更加实用。

光子固化方法

本发明的一个实施例的方法为将纳米颗粒暴露到脉冲发射源，以使它们的形态或相改变和/或使材料反应而基本上不影响它们被包含于其内或位于其上的基底。进行几个测试，以评估固化导电墨的纳米颗粒制剂的效果。在测试中，通过使不同的纳米材料与各种溶剂、表面活性剂以及分散剂混合，制备制剂，并用制剂制造膜或图形。膜和图形被施加到基底，经受脉冲发射源，并测量导电性、粘附性、表面形态和固化深度。使用四点探针和测厚仪确定导电性。在一些情况下，允许在经受脉冲发射源之前干燥所述膜或图形。

当膜或图形经受脉冲发射源时，加热并烧结颗粒。当该情况发生时，发现该部分的图形的吸收率降低并且其反射率和导热性提高。因此该工艺是自限制的。在一些情况下，这意味着施加单一强脉冲好于施加多个较低强度脉冲。在研发本发明的过程中，研究了脉冲持续时间和脉冲能量的影响。传递到图形的总功率为脉冲能量、脉冲持续时间以及光足印(footprint)面积的函数。使用氙闪光灯用0.7微妙-100毫秒的脉冲长度进行测试。

在研发中，使用约30％质量的Nanotechnologies，Inc.30nm的银、60％质量的异丙醇以及10％质量的盐酸的混合物作为制剂，以在PET上制造导电膜。当图形干燥时，其导电性提高到体银的约1/20。使用“2.5”绕线下拉杆(draw down bar)将膜施加到3.5mil无光PET基底并允许膜干燥。在一些情况下，进行多个流程。典型地，三个流程产生2-3微米厚的干燥膜。在所有的情况下，膜经受脉冲后，其导电性提高。观察到导电性提高到银的导电性的约1/10、在一些情况下1/3至1/2。在测试中，通常发现对于给定的总能量，使用较高功率和较短脉冲长度加工的图形给出较高的导电性。测试还表明，存在阈值面能量密度，如果超过该阈值面能量密度，膜会从PET表面崩落(blow off)。用超过阈值的给定的能量进行的测试表明，用长脉冲长度加工的样品具有对基底的显著的热损伤，而经受较短脉冲长度的样品显示出对基底的最小或甚至不能探察的热损伤。在这一系列测试中，经受较短脉冲长度的样品显示出围绕崩落图形的边缘的明显固化的银，而较长脉冲长度样品不存在这一现象。

该证据表明较短脉冲长度可以更好地起作用。该信息具有深远的意义。对于短脉冲长度，可以完全地固化样品而不会对基底造成显著的损伤。这可以去除对基底的热限制并允许使用宽范围的新基底例如PET、聚酯、塑料、聚合物、树脂、织物、非织造织物、纸产品以及有机化合物。虽然该方法对于耐低温基底起作用，但是也适用于耐高温基底例如陶瓷、合成物、层压板(laminate)、玻璃、硅以及目前用于导电构图市场中的大多数材料。基底的一个应该考查的方面为其在闪光发射的波长中的吸收率。通常，基底不应具有在闪光的波长范围中的高吸收率，因为如果基底吸收闪光的能量，其或许会受到损伤。如果需要，可以使用滤光器以去除不希望的发射带。测试基底是否受到发射的影响的一种方法为使没有任何图形的基底经受固化条件。然后检查基底以确定其是否受到不利的影响。

实例7

图1示出了使用本发明加工的在PET上的导电膜的一部分。上部的膜示出了膜被光子固化的几个位置。下部的膜示出了使用足够的能量从基底崩落膜的几个位置。注意，在较长脉冲下存在显著更多的损伤。

实例8

图2示出了具有其中导电性为体银的1/3至1/2的固化的中心区域的另一膜。注意来自用于测量其电阻率的四点探针的压痕(indentation)。还可以对使用25nm-200nm范围的不同尺寸的颗粒的银和异丙醇的制剂使用该方法。在这些情况下，图形在干燥后具有无限电阻、大于40兆欧、或不可探查的导电性。在所有情况下，一旦对图形进行光子固化，导电性提高到体银的几个数量级之内，通常在两个数量级之内。在一些情况下，导电性在体银的一个数量级之内。图3示出了其中仅仅光子地固化膜的右半边的实例。

实例9

在纤维素基底(纸)上覆盖银纳米颗粒的薄膜(具有上述第1节(无热固化导电墨)的实例1的墨处方，但具有10重量％的乙二醇)，并使薄膜干燥。膜的电阻约为612欧姆。当在离膜1/2”处起动来自一次性照相机(由Walgreen Co，Deerfield，IL 60015-4681配给的Studio 35 Single UseCamera[27次曝光])的氙闪光灯泡的光的闪光后，电阻立刻降到440欧姆。随后每隔约1分钟闪光一次的闪光分别产生401、268、224以及221欧姆的电阻。

实例10

在纤维素基底上覆盖相似的上述纳米银的膜(具有第1节环境固化导电墨)的实例1的墨处方)，并使薄膜干燥约25分钟。膜#1具有约3.7欧姆的初始电阻。在1/4英寸-1/2英寸处来自(上述的)照相机闪光的一次闪光立刻将电阻降到3.3欧姆。一分钟后的第二闪光将电阻降到2.5欧姆。一分钟后的随后的闪光没有显著地降低电阻。在140摄氏度下在炉中放置第二膜持续15分钟。它的电阻从5.3降到4.0欧姆。来自照相机的两个次随后的闪光将膜的电阻分别降到3.9和3.8欧姆。实际上，对基底的几次频闪(strobe)闪光看来似乎是对低温热固化的希望的替代。

实例11

制造银纳米颗粒的膜，并使其在约25摄氏度下干燥10天。在距表面1/2英寸处来自照相机的一次闪光瞬时地将电阻从约67降到约61欧姆。

实例12

在施加银膜之后15分钟并在膜变得干燥之后10分钟，当在距基底1/8英寸内设置照相机频闪时，当开始频闪时可听到爆裂声。在该情况下，当启动照相机时放在纸的背面上的手指可以感觉到爆裂。当在显微镜下观察时，发现部分膜崩落。根据推测，这归因于邻近加热的纳米颗粒的表面的气体的快速膨胀。因为在放置4天的膜上也注意到响亮的爆裂声和与之相关的在纸上的压力脉冲，气体的源很可能不是未蒸发的溶剂。这表明如果使用强光子源，则覆盖的膜应该为薄的，或者基底应在真空中被光子源所泛射(flood)。

实例13

使用不同的溶剂制造几种银墨并对银墨进行光子固化加工。此外，测试为提高墨对基底的粘附力而添加粘合剂的效果。第一实例为13A，其中由甲基乙基酮制成银墨。在PET上将膜厚度绘成0.09mil或2.29微米的厚度。使用原型光子固化系统探测不同面能量密度和脉冲宽度的结果。数据表明，存在面能量密度和脉冲长度的最佳的组合以给出最好的导电性。

实例13C用各种固化，约25℃固化30分钟、约90℃固化30分钟以及光子固化，在照片级喷墨纸上使用2.3微米的分散在水中的银。在该实例中，由相同的制剂产生三种膜。对一种膜进行93℃的温度固化30分钟，并且对另一种膜进行光子固化。使用最后的样品作为基准线。注意，光子固化样品获得约5倍于体银的电阻率并且比热固化稍好。此外，对于该低温，热固化结果很好。

实例13D示出了在聚酯薄膜上涂覆的2.3微米的分散在10％粘合剂填料的银。在该实例中引入不同的粘合剂以改善相对于基底的粘附性。然后对样品进行光子固化工艺。显著的结果为，在样品从膜崩落前，粘合剂允许向样品施加高功率。较高功率还提高了墨固化的能力。

实例13D示出了在聚酯薄膜上涂覆的2.3微米的分散在10％粘合剂填料的银。在该实例中，引入不同的粘合剂以改善相对于基底的粘附性。然后对样品进行光子固化工艺。显著的结果为，在样品从膜崩落前，粘合剂允许向样品施加高功率。较高功率还提高了墨固化的能力。

虽然使用Nanotechnologies，Inc.的干燥银粉末进行测试，对于用表面功能化合成的银例如由溶胶-凝胶法制备的材料，该方法同样有效。在该情况下，光子方法将颗粒加热至高温，这将挥发表面有机化合物并使颗粒烧结。此外，可以使用光子方法来提高通过热方法已经部分或完全固化的膜的导电性。光子方法通过使对制剂的加热与对基底的加热分隔，克服了现有技术的限制，并允许通过加热的颗粒挥发表面功能化。

光子固化方法具有其它独特的优点。典型地不使用易氧化的材料例如铜或锌来制造导电图形。如果使用材料例如这些金属产生墨或制剂然后加热墨或制剂以固化图形，则存在氧时金属将氧化并形成导电差或不导电的金属氧化物图形。在加热工艺期间，颗粒的氧化发生在比烧结低的温度，因此在烧结前颗粒转变为了金属氧化物。典型地通过在真空或在惰性或还原气氛例如氢气中加工来解决该问题。所有这些选择都是昂贵的并使这些材料对于导电图形市场没有吸引力。

通过允许加工纳米材料而不需要受控的环境，本发明克服了使用易氧化和或活性材料的限制。使用处于30nm-100nm范围的铜纳米颗粒进行测试。对具有氧化物钝化层的铜以及铜/碳合成物材料进行测试。

实例14

在测试中，纳米铜被分散在异丙醇中，涂覆到一张PET上并被干燥。涂层是黑色的并具有几乎无限的电阻率。使涂层经受2.3ms的氙广播闪光，材料立即变为铜的颜色，并且导电性提高到体铜的1/100。经受较高功率的闪光的另一样品显示出为体铜的1/40的导电性结果。通过优化颗粒氧化物层和光子条件以便接近体铜的导电性，应该获得更好的结果。图4中示出了一个这样的样品，该图示出了未固化的铜膜和光固化后的膜。可以推测，因为纳米铜的固有特性，以比氧化的时间尺度快得多的时间尺度加热并烧结颗粒，从而发生最小的氧化。这具有显著和深远的意义。本发明允许在现有的和新的应用中使用在之前因为氧化问题而打折扣的低廉的材料。可以使用这样的材料，例如但不限于铜、铁、锌、钛、锆、镁、锡、铝、镍、钴、铟、锑、以及铅。此外，可以在耐低温基底以及耐高温基底上使用这些材料。

通过该方法，使用材料的组合或材料的合金同样是有用的。材料的组合允许加工昂贵和低廉的材料以及高导电和中度导电的材料以设计成本和导电性。此外，可以混合两种或多种化合物，以便当加热它们时，它们可以反应或形成合金。

一些合金在形成时会释放能量，这有助于进一步烧结材料。例如，使用具有氧化物层和少量纳米铝的铜进行测试。在该情况下，氧化铜和铝在加热时将发生铝热反应。该反应释放大量的热，有助于进一步加热和烧结铜。附带的好处在于，反应的产物为铜和氧化铝。因此，在颗粒表面上的氧化铜转变为铜，导致了更好的导电性。

在又一实施例中，可认识到，如果较大的颗粒具有适宜的形态例如为高度成团的、具有纳米孔或具有使它们高度吸收的极端的表面粗糙度，那么则能使用它们。同样，可以混合少量的微小颗粒与较大的颗粒以增加有效吸收率。使少量的纳米铝与一些微米尺寸的铜混合、在纸上覆盖混合物的膜并使其光子地固化以使膜变为导电的示范了该构思的实施例。在该情况下，由于铜具有低的表面积与质量比率且具有对从氙频闪发射的辐射的低的吸收率，仅仅光子地固化微米尺寸的铜是非常困难的。纳米铝的燃烧提供烧结铜所需要的附加的能量。在由Dennis E，Wilson and Kurt A.Schroder作为发明人的名称为“System for Photonic Initiation ofNanoenergetic Materials”的在2005年10月25日提交的PCT专利申请No.PCT/US2005/038557中公开了铝的光子激发，在此引入该申请作为参考。其它变型包括向混合物添加附加的氧化剂例如氧化铜或氧化铁、钝化铜以便为直接在将要烧结的颗粒上的铝提供氧化剂，或者向混合物添加碳黑或某种其它的纳米尺度的发射材料以使膜吸收光子辐射。

实例15

使用由具有5-10重量％的40nm银的10微米银片(具有非常低的吸收率)构成的膜成功地制造导电图形。具体而言，通过单次2.3ms的频闪闪光，痕迹的电阻从无限变为3欧姆。在该情况下，相信纳米粉末充当烧结助剂(aid)。

虽然大多数加工的导电膜已经相当薄，即小于10mil，但是可以对较厚的膜使用本发明。在这些情况下，希望较长的波长和可能的较长持续时间的脉冲。

大多数纳米粉末和/或纳米颗粒分散体通常具有可以为对数正态分布、窄分布、宽分布、或模态(modal)分布的离散的颗粒分布。因为烧结温度是颗粒尺寸的函数，所以对于给定的粉末可以存在引起颗粒烧结的温度范围。当膜经受发射源时，一些颗粒被蒸发、一些被熔化、一些被烧结以及一些仅仅被加热是可能的。认识到这一点，本发明的另一实施例使用多次发射以固化样品。在该实施例中，控制发射以调节烧结的量。例如，使膜经受较低功率的脉冲以烧结较小的颗粒，然后经受较高功率的脉冲或脉冲的序列以烧结较大的颗粒。如果一开始就使用高强度的脉冲，较小的颗粒可能蒸发，这会造成差的膜均匀性例如空隙和差的性能。进行测试以确定多个脉冲是否起作用。样品经受增加强度的多个脉冲。在每一个脉冲之后，量测导电性，发现在头几个脉冲之后导电性提高。在约5个脉冲之后，导电性不再提高。

在测试的初始，观察到当在频闪在纳米材料样品附近闪光时可以听到可闻的爆裂声。该现象在疏松的纳米铝粉末或疏松的纳米银粉末的情况下发生。频闪越接近基底，爆裂声就变得越响。此外，可以使用可闻的爆裂声作为用于固化膜的频闪强度的反馈机制。这里，新生的膜更易发出爆裂声，因为它具有非常高的发射率和非常低的热导率。当膜被固化时，颗粒开始烧结，这使得发射率变低并且热导率变高。因此，来自相同强度的频闪的闪光产生越来越少的爆裂声。现在，所产生的膜能够采用较高强度的脉冲而不会被损害。同样，需要较高强度的脉冲以进一步固化膜。因为气体是频闪的强度可以在初始很高的主要原因，可选的方法为在真空中闪光基底。在该情况下，最终的导电性可以变得更高，因为消除了作为能量传递机制的对流。在该情况下，膜可以较长时间地保持很热，并且烧结得更充分。

可以与热固化方法并行使用该光子固化技术，以增加效果并以比没有光子固化时低的固化温度获得相同的效果。

光子固化系统

下面描述了能够在包括挠性电路板、平板显示器、互连、RF-ID标签以及其它一次性电子设备的耐低温基底上大量加工导电图形的商业光子固化系统。所描述的商业系统能够以每分钟100英尺的速率移动并且跨越34”的宽度地加工产品。相同的设计以这样的成本依比例调节为较高的速度和较宽的格式，该成本的增加速度小于随每单位时间加工的面积的线性增加的速度。

图5示出了本发明的实施例的方法图，以及图6示出了制造系统的示意图。光子固化系统在种类繁多的基底上固化金属纳米墨。通过安装在独立继电器架中的高压电源和触发电路驱动多频闪头。可以调整频闪头的高度以控制频闪足印。通过频闪电源电子地调整曝光水平。根据未固化墨的发射率、材料特性以及膜厚度，可以调整频闪能量和脉冲持续时间以允许最优化固化而不损伤基底。

系统包括用于制造将被加工以制造导电图形的膜和图形601的照相制版术(process)以及用于固化膜和图形以产生导电膜或图形的系统。用于在基底上产生膜或图形601的系统可以为能够向表面施加纳米颗粒的现有技术例如丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、激光印刷、静电复印、移印(padprinting)、涂抹、蘸水笔(dip pen)、注射(syringe)、喷枪喷涂、平版印刷中的一种或组合。然后系统将具有图形的基底移动到固化膜的光子固化系统602。本发明的一个实施例能够用各种基底工作。系统能够以均匀覆盖的方式以100ft/min连续地加工样品，或者以降低的均匀性的方式以加倍的速率加工。

尽管可以相对于样品移动频闪头620，但该系统使用移动样品603经过频闪头620的方法。本发明使用具有能够处理约90cm×150cm的样品的传送带系统610。其被用于在光子固化设备之下移动样品。传送带610以5至200ft/min的速度工作并受到传送器控制器632的控制。本领域的技术人员将认识到，可以使用其它传送方法例如机器人和气动装置来移动样品。

光子固化系统602包含光子发射源例如在频闪头620中的连接到可调节电源630的氙闪光灯621。可调节电源对于1微秒-100毫秒的脉冲持续时间具有5-600焦耳的能量容量。虽然存在使用2秒至几分钟的脉冲以固化树脂的一些“闪光”技术，但本领域的技术人员将认识到，在这些应用中如果脉冲太短，即使有效果也很小，或者整个产品、基底以及膜被加热。通过使用比现有系统短几个量级并且被设计为与纳米材料反应的脉冲，本发明与这些系统相区别。闪光灯621或闪光灯阵列被配置为产生宽90em长1-3cm的频闪图形。通过在约1-30cm的范围改变其距离样品的高度，改变频闪的强度。通过频闪控制631控制可调节电源630，以便以约40Hz的频率提供单个脉冲至多个脉冲。将鼓风机622或其它冷却装置例如液体连接到频闪头以冷却并延长寿命。

本领域的技术人员将认识到，存在用于产生脉冲发射的其它选择。可以使用设备例如脉冲激光、斩波强光源、光偏转方法例如机械或电偏转、脉冲电弧等以产生发射。虽然本发明示出了从顶部经受发射源的样品603，但可以使膜从底部或者顶部与底部的组合经受发射源。本发明还示出了在其已干燥后使样品经受发射。当膜是湿的时将它们传送到发射源是有利的。此外，可以将系统配置为通过进行(progress)一系列生产参数并量测每一种配置的导电性而自动地确定最优的设定。然后将产品设置设定为给出最优的膜特性的参数。

在工作时，通过膜和图形印刷机601制造产品603，并将产品603移动到传送器610。传送器610在频闪头620之下移动产品603，其中产品603被来自闪光灯621的快速脉冲光子地固化。频闪控制631控制频闪功率、持续时间以及重复速率，而传送器控制630确定产品移动经过频闪头620的速度。然后从传送器610移除样品，用于加工的下一步骤。

本领域的技术人员将认识到，可以结合其它固化方法使用本发明。可以与热固化方法并行地使用该技术，以便在较低的固化温度下且以较快的速率获得相同的结果。事实上，对已经印刷和固化的几个导电图形进行了测试。使图形经受氙闪光，导电性提高了两倍。

光子激活的催化

申请人已观察到，包括大多数金属纳米粉末的纳米颗粒粉末通常非常能吸收光子辐射。也就是，粉末是优良的黑体。纳米颗粒还具有比微米或更大尺寸的颗粒大得多的表面积与质量比率。最后，与体材料相比，体纳米粉末的导热性非常差。这三个性质表明用脉冲光子源对纳米颗粒的辐照可以将颗粒瞬时加热至非常高的温度。(“光子源”为处于这样的电磁谱的辐射源，该电磁谱包括但不限于γ射线、x射线，紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波或其组合。)如在下面列出的几个新应用中所指出的，该效应是非常有利的。

通常，材料的催化活度随材料的表面积和温度的增加而增加。第一项的自然结果为，催化材料倾向于具有高的表面积。实现这一点的一种方法为使催化材料具有纳米尺度的尺寸。作为第二项的结果，在高温下进行一些催化过程。一些催化材料为纳米尺寸的金属，所以非常能吸收辐射。通过用光子源泛射催化剂，催化剂将吸收辐射并加热到比系统余下的部分高的温度。这样，可以获得较高的催化活度而不显著改变系统的温度。如果使用脉冲光子源，则尤其如此。

实例16

“瞬开(instant on)”或冷启动催化：由内燃发动机产生的污染的显著部分来自于工作的第一或第二分钟。因此，在工作的第一分钟期间，因为汽车的催化转换器的温度低，所以其进行了非常少的催化转化。预热整个催化转化器需要附加的电池，这在某些程度上达不到首先进行预热的目的。然而，重复的脉冲强光子源能够以非常少的输入能量瞬时预热催化材料直到整个发动机变热，产生显著低的来自发动机的热散发。

实例17

低温环境中的高催化速率。不能忍受或不希望高温的环境例如液体环境可以具有通过光子源泛射而增加的催化活度。可以做到这一点而不显著改变系统的温度。可以在水的沸点以下的温度实现高产的水的催化裂解。

实例18

调制催化。通过控制冲击(impinging)光子源的强度，可以短时间尺度地控制催化剂的催化活度，而且可以不依赖于系统的温度做到这一点。可以通过来自另一子系统的反馈来控制催化活度。这导致“按需(ondemand)”化学反应例如燃料电池或工业化学合成方法所希望的反应。

实例19

净化被沾污的催化剂。通过将纳米材料催化剂暴露到强脉冲光子源，纳米颗粒将被瞬时加热。表面上的任何吸附的材料被驱走或者反应以重新激活催化剂。

实例20

用于催化合成的纳米颗粒气溶胶(aerosol)的脉冲广播辐射。通过将气体中悬浮的纳米粉末暴露到辐射，颗粒悬浮在其中的气体可以与颗粒催化地反应。这是用于裂解碳氢化合物气体的有效方法。

虽然使用银进行了一些测试，但申请人认识到，其它金属将呈现相同的效果并具有相似的性能。其它材料包括但不限于铜、铝、锆、铌、金、铁、镍、钴、镁、锡、锌、钛、铪、钽、铂、钯、铬、钒以及金属的合金。此外，非金属化合物例如碳同样呈现这些属性。

本领域的技术人员应该理解，这里公开的技术代表发明人发现的在本发明的实施中很好地起作用的技术，因此可以被认为构成用于其实施的示例性方式。然而，根据本公开，本领域的技术人员应该理解，只要不背离本发明的精神和范围，在所公开的特定的实施例中可以做出许多改变并仍能获得同样或相似的结果。

Claims (16)

1.一种激活材料的方法，包括以下步骤：

选择包括纳米材料的材料，其中所述纳米材料具有小于1微米的至少一个尺寸；

在耐低温基底上淀积所述材料；以及

将所述基底上的所述材料暴露到脉冲电磁发射以激活所述材料。

2.根据权利要求1的方法，其中所述纳米材料包括金属。

3.根据权利要求1的方法，其中所述材料为制剂，以及其中所述淀积的步骤包括在所述基底上由所述制剂制造膜。

4.根据权利要求3的方法，其中所述制剂包括作为纳米金属的至少一种成分。

5.根据权利要求1的方法，其中所述基底是挠性的。

6.根据权利要求1的方法，其中所述基底包括选自织物、纸产品、有机化合物、陶瓷、合成物、层压板、玻璃、硅以及其组合的物质。

7.根据权利要求1的方法，其中所述淀积还包括在所述暴露的步骤之前的印刷工艺。

8.根据权利要求7的方法，其中所述印刷工艺选自丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、激光印刷、静电复印印刷、移印、涂抹、蘸水笔、注射、喷枪喷涂、平版印刷以及其组合。

9.一种在基底上形成导电图形的方法，包括以下步骤：

选择包括纳米材料的材料，其中所述纳米材料包括金属并具有小于一微米的至少一个尺寸；

在耐低温挠性基底上淀积所述材料以形成图形；以及

将所述材料暴露到多个脉冲电磁辐射，其中所述脉冲的持续时间在1微秒与100毫秒之间，其中所述暴露的步骤增加在所述基底上的所述材料的导电性。

10.根据权利要求9的方法，其中所述基底选自织物、有机化合物、合成物、层压板以及其组合。

11.根据权利要求9的方法，其中所述纳米材料包括选自铜、银、锡、铝、金、锌、铁、镍、铟、锑、铅、铂的金属。

12.根据权利要求9的方法，其中在空气中进行所述暴露所述材料的步骤。

13.一种用于在基底上形成可印刷制剂的导电图形的系统，包括：

印刷机，用于在基底上印刷材料；

频闪头内的氙闪光灯，其中所述氙闪光灯被连接到可调节电源；以及

传送器，用于接收所述基底并在所述频闪头之下传送所述基底，所述基底被来自所述氙闪光灯的多个光脉冲光子地固化，其中频闪控制用于控制所述光脉冲的频闪功率、持续时间和重复速率，其中传送器控制用于确定所述基底移动经过所述频闪头的速度。

14.根据权利要求13的系统，其中所述材料具有小于1微米的至少一个尺寸。

15.根据权利要求14的系统，其中所述闪光灯还包括：

滤光器，用于去除不希望的发射带。

16.根据权利要求13的系统，其中用于传送所述基底的所述传送器在5至200ft/min的速度处操作。

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