CN103094698B - 一种超材料微结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超材料微结构及其制备方法，将一定量的铜粉、金粉、银粉或铝粉加入到紫外光固化胶中均匀混合，获得紫外光固化导电胶；采用刮膜技术在基材上形成一层紫外光固化导电胶薄膜；紫外激光根据预制图形在基材上进行扫描，使基材上的紫外光固化导电胶固化。采用紫外激光直接固化紫外光固化导电胶的方法制备超材料的微结构，可获得的线宽小、线形好，并且精度高、工艺简单，适合大规模应用。

Description

一种超材料微结构及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料微结构及其制备方法。
【背景技术】
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此，为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器(SRR)的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。
超材料的基本结构由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，目前制备超材料微结构的技术主要有：传统的湿法蚀刻工艺和喷墨打印导电油墨的工艺。
湿法蚀刻工艺：即通过曝光、显影、腐蚀等工艺过程，在覆铜基板上制备出线路或超材料的导电微结构。但这种工艺有以下缺点：工艺复杂，制造周期长；设备昂贵，前期投入大；铜的利用效率低，过程中有大量的废液产生，生产过程耗能高。
喷墨打印工艺：即直接通过喷墨打印机将通过特殊配置的导电油墨喷印到各种基材上，再通过低温烧结(一般低于200℃)，就可得到所需的导电线路或超材料微结构。这种工艺相对传统的湿法蚀刻工艺有很多优势，比如成本低、效率高、绿色环保等，将来很有可能会逐渐取代传统的湿法蚀刻工艺。但在目前，喷墨打印工艺仍然存在一些不足之处：工艺还不成熟、导电层厚度分布均匀性较难控制、线路边缘不够光滑、线宽难做小等等。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：针对湿法蚀刻工艺和喷墨打印工艺的不足之处，采用紫外激光直接固化紫外光固化导电胶的方法制备超材料的微结构。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种超材料微结构的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
a、将一定量的铜粉、金粉、银粉或铝粉颗粒加入到紫外光固化胶中均匀混合，获得紫外光固化导电胶；
b、采用刮膜技术在基材上形成一层紫外光固化导电胶薄膜；
c、紫外激光根据预制图形在步骤b中的基材上进行扫描，使基材上的紫外光固化导电胶固化。
所述的步骤还包括：d、洗掉基材上没有被固化的紫外光固化导电胶。
所述的步骤进一步包括：e、将固化有图形的基材在温度为100-200℃的环境中烧结，得到所需超材料的微结构。
所述的铜粉、金粉、银粉或铝粉颗粒的尺寸为纳米量级。
所述的紫外光固化导电胶薄膜的厚度为几个微米到几十个微米。
根据实际需要控制所述紫外光固化导电胶薄膜的厚度。
所述的预制图形由紫外激光控制器编排或由外部导入紫外激光控制器控制。
一种超材料微结构，包括以上任意一项所述的方法制备的超材料微结构。
所述的微结构由铜、金、银或铝制成。
所述的微结构图形由紫外激光控制器编排或由外部导入紫外激光控制器控制。
本发明的有益效果为：采用紫外激光直接固化紫外光固化导电胶的方法制备超材料的微结构，可获得的线宽小、线形好，并且精度高、工艺简单，适合大规模应用。
【附图明书】
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例1的流程示意图；
图3为本发明实施例2的流程示意图；
图4为本发明实施例3的流程示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种超材料微结构的制备方法，所述的方法包括以下步骤：如图1所示，
a、将一定量的纳米铜粉、纳米金粉、纳米银粉或纳米铝粉颗粒加入到紫外光固化胶中均匀混合，获得紫外光固化导电胶；
b、采用刮膜技术在基材上形成一层紫外光固化导电胶薄膜，根据实际需要控制所述紫外光固化导电胶薄膜的厚度，一般为几个微米到几十个微米；
c、紫外激光根据紫外激光控制器编排或由外部导入紫外激光控制器控制的预制图形在步骤b中的基材上进行扫描，使基材上的紫外光固化导电胶固化，所述的图形可以是轴对称图形或非轴对称图形；
d、洗掉基材上没有被固化的紫外光固化导电胶；
e、将固化有图形的基材在温度为100-200℃的环境中烧结，得到所需超材料的微结构。
紫外光固化胶是指必须在具有较高能量密度的紫外线光的照射下才能固化的有机胶状混合物，在普通环境中下一般不会固化。这类紫外光固化胶一般由丙烯酸酯类预聚物(又称寡聚体)、活性单体和紫外线光引发剂构成。没有合适的紫外线照射，光引发剂就不会发生作用，因而无法使预聚物聚合，也就不会产生固化。不同的光引发剂吸收的紫外光波段不同。
紫外光是指波长在100nm～400nm之间的电磁波，由于臭氧层的吸收，波长在290nm以下的紫外光不能到达地面，能到达地面的紫外线波长在290nm～380nm范围。一般的准分子激光器产生的激光都是紫外激光，如KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(157nm)等，这类激光的输出方式一般为脉冲式。另外还有固体紫外激光器，其输出方式有脉冲的，也有连续的。连续的紫外激光源较适合用于紫外光固化胶的固化。不同的光引发剂在紫外光区域内，都有一个最大吸收峰，在最大吸收峰处，引发剂的引发效率最高，从而固化胶的固化速度也最快。因此，针对不同的紫外激光源，要选择不同的光引发剂。
采用紫外激光直接固化紫外光固化导电胶的方法制成的超材料微结构的线宽小、线形好，并且精度高、工艺简单，适合大规模应用。
实施例一：如图2所示，
a、将一定量的纳米铜粉加入到紫外光固化胶中均匀混合，获得紫外光固化导电胶，该紫外光固化胶固化所需的紫外光由型号为KrF(248nm)的准分子激光器产生；
b、采用刮膜技术在基材上形成一层紫外光固化导电胶薄膜，厚度为十个微米；
c、紫外激光根据紫外激光控制器编排的预制好的“工”字型图形在步骤b中的基材上进行扫描，使基材上的紫外光固化导电胶固化；
d、洗掉基材上没有被固化的紫外光固化导电胶；
e、将固化有“工”字型图形的基材在温度为150℃的环境中烧结，得到所需超材料的微结构。
应当理解，预制的图形也可以是“工”字型的衍生。
实施例二：如图3所示，
a、将一定量的纳米银粉加入到紫外光固化胶中均匀混合，获得紫外光固化导电胶，该紫外光固化胶固化所需的紫外光由型号为ArF(193nm)的准分子激光器产生；
b、采用刮膜技术在基材上形成一层紫外光固化导电胶薄膜，厚度为15个微米；
c、紫外激光根据紫外激光控制器编排的预制好的“雪花”图形在步骤b中的基材上进行扫描，使基材上的紫外光固化导电胶固化；
d、洗掉基材上没有被固化的紫外光固化导电胶；
e、将固化有“雪花”图形的基材在温度为125℃的环境中烧结，得到所需超材料的微结构。
实施例三：如图4所示，
a、将一定量的纳米铜粉加入到紫外光固化胶中均匀混合，获得紫外光固化导电胶，该紫外光固化胶固化所需的紫外光由型号为F2(157nm)的准分子激光器产生；
b、采用刮膜技术在基材上形成一层紫外光固化导电胶薄膜，厚度为十二个微米；
c、紫外激光根据紫外激光控制器编排的预制好的“工”字型图形在步骤b中的基材上进行扫描，使基材上的紫外光固化导电胶固化；
d、洗掉基材上没有被固化的紫外光固化导电胶；
e、将固化有“工”字型图形的基材在温度为175℃的环境中烧结，得到所需超材料的微结构。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (10)

1.一种超材料微结构的制备方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
a、将一定量的铜粉、金粉、银粉或铝粉颗粒加入到紫外光固化胶中均匀混合，获得紫外光固化导电胶；
b、采用刮膜技术在基材上形成一层紫外光固化导电胶薄膜；
c、紫外激光根据预制图形在步骤b中的基材上进行扫描，使基材上的紫外光固化导电胶固化，得到所需超材料的微结构。
2.根据权利要求1所述的超材料微结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤还包括：d、洗掉基材上没有被固化的紫外光固化导电胶。
3.根据权利要求2所述的超材料微结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤进一步包括：e、将固化有图形的基材在温度为100-200℃的环境中烧结，得到所需超材料的微结构。
4.根据权利要求1所述的超材料微结构的制备方法，其特征在于：所述的铜粉、金粉、银粉或铝粉颗粒的尺寸为纳米量级。
5.根据权利要求1所述的超材料微结构的制备方法，其特征在于：所述的紫外光固化导电胶薄膜的厚度为几个微米到几十个微米。
6.根据权利要求5所述的超材料微结构的制备方法，其特征在于：根据实际需要控制所述紫外光固化导电胶薄膜的厚度。
7.根据权利要求1所述的超材料微结构的制备方法，其特征在于：所述的预制图形由紫外激光控制器编排或由外部导入紫外激光控制器控制。
8.一种超材料微结构，其特征在于：包括权利要求1-7任意一项所述的方法制备的超材料微结构。
9.根据权利要求8所述的超材料微结构，其特征在于：所述的微结构由铜、金、银或铝制成。
10.根据权利要求8所述的超材料微结构，其特征在于：所述的微结构图形由紫外激光控制器编排或由外部导入紫外激光控制器控制。
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