CN103753994B - 一种功能纳米膜及其直接印刷方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功能纳米膜的直接印刷方法，属于功能材料技术领域。所述方法将选取的各向异性微结构的锥状纤维紧密排列，并将纤维粗端粘接在基底上，并将基底连接到储液池，形成印刷工具；将印刷工具连接到三维移动台，与刷涂平面成5～90度角靠近基底，接触基底后下压0～5毫米，以0～100mm/s的速度移动，制得长度、宽度和厚度均可控的具有光、电或者磁性特性的功能纳米膜。本发明的可控功能纳米膜可用于光、电或者磁学领域，本发明的可控功能纳米膜的制备成本较低，原料易得，设备和制作工艺简单，可用于大范围制备。本发明的功能纳米膜边缘规整，长度、宽度和厚度均连续可调。且膜厚度均匀，成膜性能良好。

Description

一种功能纳米膜及其直接印刷方法和应用

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及长度、宽度和厚度可控的功能纳米膜及其印刷制备方法和用途。

背景技术

膜材料，特别是一些具有特殊功能性的膜材料被广泛应用于各个领域。例如集成电路、微电子器件中的绝缘膜；在场效应晶体管、高效太阳能电池中的半导体导电膜；在信息储存中的磁性膜以及光学领域中的反射膜灯。因为其功在发展信息技术、生物技术、能源技术等领域和国防建设上的重要性，功能膜材料被我国列入新材料“十二五”重点扶持专项工程。然而，如何制备这些功能膜材料一直困扰着研究人员。

旋涂法(Spin coating)是制备薄膜材料的一种广泛应用的方法。其制备的薄膜厚度可控，设备结构简单且易于操作，加上优良的性价比、节能和低污染等优势，现已广泛应用于各种功能性薄膜的涂覆，但其会造成旋涂液的大量浪费，而且无法精确控制制备薄膜的图案。另一种膜的制备方法是浸涂法(Dip-coating)。这种方法对材料的几何形状具有很强的适应性，对在圆盘、圆筒或不规则物体上制备薄膜具有明显的优势。然而这种方法制备的薄膜膜厚较厚且不易控制。因此该方法不适于制备对薄膜质量要求很高，膜厚较薄且均匀的薄膜。喷墨打印技术(Ink jet printing)是另一种薄膜快速制备技术。其具有打印速度快、非接触、定位精度高等优点，近年来在光电器件领域受到普遍关注。然而喷墨打印设备复杂，墨水可适应性差，需要精确配置，同时喷墨打印的薄膜材料的膜厚和成膜均匀性都存在问题。丝网印刷法(Screen printing)是在上世纪初发展起来的一种在大气下用溶液制备薄膜的方法，是一种广泛用于快速、廉价、大面积沉积染料薄膜的技术，而且很容易在沉积的基底区域定义图案。但是，丝网印刷技术要求制备薄膜所需的溶液具有较高的粘度和较低的挥发性，且制备的薄膜厚度通常大于0.5毫米，印刷的薄膜不是平滑的，同时用肉眼可以看见印刷印迹。由此可见，如何制备均匀可控的功能纳米膜一直是困扰着科研人员的课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供具有长度、宽度和厚度均连续可控的具有光、电或磁性特性的功能纳米膜。

本发明的再一目的在于提供一种效率高且简单便捷的可控功能纳米膜的直接印刷方法。

本发明的另一目的在于提供可控功能纳米膜的用途。

本发明以各向异性微结构的锥状纤维作为材质，将这种各向异性微结构的锥状纤维平行排列构筑一个简单便捷的书写工具，每一根各向异性微结构的锥状纤维具有直径渐变的锥形结构，且表面覆盖有梯度排列的定向结构。

所述的各向异性微结构的锥状纤维排列方式为平行紧密排列，锥状纤维的粗端粘接到一个基底(如玻璃片)上，锥尖端向基底(玻璃片)边缘外伸展0.5～1厘米。

在本发明中，液体在平行排列的各向异性微结构的锥状纤维之间在拉普拉斯力(Laplaceforce)、各向异性粘附力(Asymmetrical retention force)和重力作用下平衡。当液滴在平行的各向异性微结构的锥状纤维之间时，由于各向异性微结构的锥状纤维的锥形结构诱导的拉普拉斯压差会产生指向纤维根部的力的作用，从而使得液体在这种各向异性微结构的锥状纤维中具有储存的作用。同时，由锥状纤维的定向结构作用产生的各向异性驱动力会产生指向锥状纤维尖端的力。液体在拉普拉斯力、各向异性粘附力和重力这几个力的综合作用下保持平衡，从而使得大量的墨水可以高效的动态存储在各向异性微结构的锥状纤维之间。将这种由各向异性微结构的锥状纤维构筑的直接印刷装置接触平滑的基底(如纸、硅片和玻璃等)时，由于基底和液体表面的粘附作用使得原来的力学平衡被破坏，液体便会稳定可控的流下，从而在基底上形成均匀可控的纳米功能膜。

本发明的可控纳米功能膜的制备方法包括以下步骤：

(1)选取各向异性微结构的锥状纤维(优选锥状纤维长度为1～5厘米)，分别使用丙酮、酒精和水超声一定时间(优选1～15分钟)，清洗干净，常温晾干；

(2)将步骤(1)得到的各向异性微结构的锥状纤维(2～10000根)紧密排列，并将纤维粗端粘接在基底如玻璃片上，并将基底连接到储液池，形成印刷工具；

所述印刷工具的制备可以是：首先将锥状纤维粗端固定到玻璃片或者其他硬质片形成的基底上，锥状纤维尖端向基底边缘外伸展0.5～1厘米。然后将整个基底放入一个橡胶管中，并将使用石蜡堵住封口。将橡胶管里面注入液体材料构成一个储液池。

(3)将功能分子(具有光、电或者磁性特性的分子)加水(或有机溶剂)配成溶液，制成功能分子溶液，注入储液池；

(4)将步骤(2)得到印刷工具连接到三维移动台，与刷涂平面成一定角度(优选5～90度)靠近平滑的玻璃片基底，接触基底后下压一定高度(优选0～5毫米)，以一定的速度(优选0～100mm/s)移动，便制得长度、宽度和厚度均可控的具有光、电或者磁性特性的功能纳米膜。

本发明的可控功能纳米膜可用于光、电或者磁学领域，如可用于制备场效应晶体管、太阳能电池的半导体膜、印刷电路和信息存储膜等领域。

本发明的可控功能纳米膜的制备成本较低，原料易得，设备和制作工艺简单，可用于大范围制备。本发明的功能纳米膜边缘规整，长度、宽度和厚度均连续可调。且膜厚度均匀，成膜性能良好。

本发明通过并排的各向异性微结构的锥状纤维制备的功能纳米膜相对于旋涂法来说，制备的功能纳米膜图案精确可控。且相比浸涂法膜厚可控，相比喷墨打印技术来说，对于墨水的适用性强，而且不需要复杂仪器，相对于丝网印刷来说，本方法可精确制备纳米膜或者微米膜。相对于传统的刷子涂刷工艺只能涂刷高粘度的涂料比，本方法适应性强，特别适宜粘度很低的液体功能材料，是一种操作简单，可用于精确制备功能纳米膜。

附图说明

图1是本发明实施中直接印刷方法示意图；

图2是本发明实施中各向异性微结构的锥状纤维的表面形貌图；

图3是本发明实施中通过不同各向异性微结构的锥状纤维根数制得的功能膜的光学图片。

具体实施方式

下面给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整进行实施，但这样的实施应仍属于本发明的保护范围。

下面根据具体的实施例详细说明本发明。

实施例1

(1)取1cm长度的各向异性微结构的锥状纤维分别使用丙酮、酒精和水超声5分钟，清洗干净，常温晾干；如图2所示，每一根各向异性微结构的锥状纤维具有直径渐变的锥形结构，且表面覆盖有梯度排列的定向结构，

如图2所示，各向异性微结构的锥状纤维的具体结构为：纤维的主体为具有多糖和蛋白结构的圆锥状材料；这种锥状材料的直径从0到150微米变化，形成一个渐变的锥形结构；锥形结构的表面覆盖一层100纳米高度的定向结构。其中定向“鳞片状”结构的作用是：当液体在这种“鳞片状”结构表面时，定向结构会对液体产生一个各向异性粘附力(Asymmetricalretention force)的作用，使得液体能有效地传递到基底上。锥形材料的结构的作用是：当液体在锥形材料表面时，锥形结构会对液体产生一个拉普拉斯力(Laplace force)，使得液体在拉普拉斯的拖拽下缓慢可控的传递到基底上。通过这种具有各向异性微结构的锥状纤维产生的拉普拉斯力、各向异性粘附力，液体重力和液体与基底之间产生的附着力这几个力的综合作用下，液体可控缓慢的传递到基底上，形成宽度厚度都连续可控的功能纳米膜。

(2)将步骤(1)得到的各向异性微结构的锥状纤维选取2根紧密排列，并将锥状纤维粗端粘接到玻璃片上，并将玻璃片另一端连接到一个由橡胶管组成的储液池，制备出印刷工具；所述橡胶管一端连接玻璃片并密封，另一端连接储液池或者直接充满溶液后密封。

(3)将罗丹明B加水配成质量百分比为1％的溶液，并在以上溶液中加入聚乙烯醇(PVA)配成质量比为0.1％的PVA溶液，制成功能分子溶液，注入储液池；

(4)将步骤(2)得到的印刷工具连接到三维移动台，以与平面成45°角度靠近平滑的玻璃片基底，接触基底后下压2毫米，以10mm/s的速度快速移动，便制得宽度为137微米的罗丹明B线。

实施例2

(1)取5cm长度的各向异性微结构的锥状纤维分别使用丙酮、酒精和水超声15分钟，清洗干净，常温晾干；

(2)将步骤(1)得到的各向异性微结构的锥状纤维选取2根紧密排列，并将纤维粗端粘接玻璃片上，并将玻璃片连接到一个由橡胶管组成的储液池，制备出印刷工具；

(3)将罗丹明B加水配成质量百分比为1％的溶液，并在以上溶液中加入聚乙烯醇(PVA)配成质量比为0.1％的PVA溶液，制成功能分子溶液，注入储液池；

(4)将步骤(1)得到印刷工具连接到三维移动台，如图1所示，以与平面成45°角度靠近平滑的玻璃片基底，直至接触，以10mm/s的速度快速移动，便制得宽度为9微米的罗丹明B线。

实施例3

(1)取2cm长度的各向异性微结构的锥状纤维分别使用丙酮、酒精和水超声5分钟，清洗干净，常温晾干；

(2)将步骤(1)得到的各向异性微结构的锥状纤维选取2根紧密排列，并将纤维粗端粘接玻璃片上，并将玻璃片连接到一个由橡胶管组成的储液池，制备出印刷工具；

(3)将银纳米粒子加水配成质量百分比为1％的纳米粒子溶液，并在以上溶液中加入聚乙烯醇(PVA)配成质量比为0.1％的PVA溶液，制成功能分子溶液，注入储液池；

(4)将步骤(1)得到印刷工具连接到三维移动台，以与平面成45°角度靠近平滑的玻璃片基底，直至接触，以10mm/s的速度快速移动，便制得宽度为9微米的纳米粒子线。

实施例4

(1)取5cm长度的各向异性微结构的锥状纤维分别使用丙酮、酒精和水超声1分钟，清洗干净，常温晾干；

(2)将步骤(1)得到的各向异性微结构的锥状纤维选取40根紧密排列，并将纤维粗端粘接玻璃片上，并将玻璃片连接到一个由橡胶管组成的储液池，制备出印刷工具；

(3)将罗丹明B加水配成质量百分比为1％的溶液，并在以上溶液中加入聚乙烯醇(PVA)配成质量比为0.1％的PVA溶液，制成功能分子溶液，注入储液池；

(4)将步骤(1)得到印刷工具连接到三维移动台，以与平面成45°角度靠近平滑的玻璃片基底，直至接触，以10mm/s的速度快速移动，便制得宽度为1.01毫米的线。

如图3所示，通过将上述的印刷工具直接印刷可以得到边缘整齐，厚度均一的功能纳米膜材料。同时，改变各向异性微结构的锥状纤维的数量还可以改变功能膜的宽度，采用5根平行锥状纤维可以得到0.22毫米宽的功能膜，而采用10根，20根，30根和40根平行锥状纤维可以分别得到0.40，0.66，0.80和1.01毫米的功能纳米膜。采用与实施例1～4中任意一种方法，改变锥状纤维的个数为40～1000根以上，并根据需要制备功能纳米膜的宽度和厚度，调整纤维运动速度在100mm/s以内，调整倾斜角度在5～90度之间，都可以制备出所需的功能纳米膜。

Claims (7)

1.一种功能纳米膜的直接印刷方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤，

第一步，选取各向异性微结构的锥状纤维，分别使用丙酮、酒精和水超声清洗，常温晾干；

第二步，将第一步得到的各向异性微结构的锥状纤维紧密排列，并将纤维粗端粘接在基底上，并将基底连接到储液池，形成印刷工具；

第三步，将功能分子加水配成溶液，制成功能分子溶液，注入储液池；

第四步，将第二步得到印刷工具连接到三维移动台，与刷涂平面成5～90度角靠近基底，接触基底后下压0～5毫米，以0～100mm/s的速度移动，制得长度、宽度和厚度均可控的具有光、电或者磁性特性的功能纳米膜。

2.根据权利要求1所述的一种功能纳米膜的直接印刷方法，其特征在于：所述锥状纤维长度为1～5厘米；纤维的主体为具有多糖和蛋白结构的圆锥状材料；这种锥状材料的直径从0到150微米变化，形成一个渐变的锥形结构；锥形结构的表面覆盖一层100纳米高度的“鳞片状”定向结构。

3.根据权利要求1所述的一种功能纳米膜的直接印刷方法，其特征在于：第二步中选取锥状纤维的数量为2～1000根并排紧密排列。

4.根据权利要求1所述的一种功能纳米膜的直接印刷方法，其特征在于：所述基底选取为玻璃片、硅片或纸。

5.根据权利要求1所述的一种功能纳米膜的直接印刷方法，其特征在于：第二步中所述印刷工具的制备是：首先将锥状纤维粗端固定到基底上，锥状纤维尖端向基底边缘外伸展0.5～1厘米；然后将整个基底放入一个橡胶管中，并使用石蜡堵住封口，将橡胶管里面注入溶液构成一个储液池。

6.一种功能纳米膜，其特征在于：采用权利要求1中的直接印刷方法制备得到；所述功能纳米膜的宽度和厚度可调，膜厚度均匀。

7.根据权利要求6所述的一种功能纳米膜的应用，其特征在于：用于制备场效应晶体管、太阳能电池的半导体膜、印刷电路或信息存储膜。