CN103906703B - 用于对准通过静电纺丝工艺沉积的纳米线的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式大体包括用于在电子纺丝工艺期间按照预定图案沉积纳米线的设备和方法。设备包括喷嘴和电压源，所述喷嘴用于容纳和喷射沉积材料，所述电压源耦接至所述喷嘴以喷射所述沉积材料。一个或更多个电场整形装置被安置以对靠近基板的电场整形，以控制所喷射的沉积材料的轨迹。所述电场整形装置使电场收敛于基板表面附近的点，以按照预定图案将沉积材料精确地沉积在基板上。所述方法包括以下步骤：施加电压到喷嘴以朝基板喷射带电的沉积材料，以及对一个或更多个电场整形以控制带电的沉积材料的轨迹。随后按照预定图案将所述沉积材料沉积在基板上。

Description

用于对准通过静电纺丝工艺沉积的纳米线的方法和设备
技术领域
本发明的实施方式大体涉及用于由静电纺丝沉积纳米线的方法和设备。
背景技术
在太阳能、显示器及触摸屏技术中，透明导电氧化物(TCO)膜被用作电极，以提供低电阻的电接触至装置的活性层，同时也允许射向所述活性层的光和来自所述活性层的光通过。然而，TCO膜具有许多缺陷，所述缺陷减少了使用TCO膜的装置的绝对效率。例如，TCO膜的沉积需要光学透明度和薄层电阻(sheet resistance)的平衡。较厚的膜或者所述TCO膜中较高的掺杂水平会导致较高的电导率，但是光的光学透射性降低。另外，在装置中使用TCO膜也可能需要使用额外的非活性膜层，所述非活性膜层能进一步减少光的吸收。此外，TCO膜是相对昂贵的。
作为装置中TCO膜的替代，金属纳米线的使用已经被提出。一种沉积金属纳米线的方法是静电纺丝。金属纳米线通常是按照不规则图案沉积到基板表面上的。静电纺丝包括施加高电压至容纳沉积材料(包括聚合物和金属)的金属毛细管(capillary)。施加至所述毛细管的电压产生电场，所述电场足够克服沉积材料的表面张力，使沉积材料的薄射流(jet)喷射到基板上。允许沉积材料沿随机方向沉积在基板表面上，所述方向通常是由带电沉积材料对于接地基板的亲和力(affinity)决定的。
在材料沉积在基板上之后，随后使沉积材料退火以去除挥发性的聚合物组分。使用还原剂(比如氢气)还原沉积材料的剩余部分，以在基板表面上留下导电金属(例如，纳米线)。然而，由于纳米线随机地沉积在基板上，所以纳米线图案不具有均匀的厚度或电导率，从而不利地影响了装置的性能。
因此，存在对用于对准通过静电纺丝工艺沉积的纳米线的方法和设备的需要。
发明内容
本发明的实施方式大体包括用于通过在静电纺丝工艺期间控制沉积材料的轨迹而在静电纺丝工艺期间按照预定图案沉积纳米线的设备和方法。设备包括喷嘴和耦接至喷嘴的电压源，所述喷嘴用于容纳和喷射沉积材料。所述电压源施加电压至喷嘴，以使沉积材料从喷嘴朝基板喷射。安置一个或更多个电场整形装置(比如线圈或反电极(counter electrode))以对靠近基板的电场整形，以控制所喷射的沉积材料的轨迹。电场整形特征结构对电场整形，以致电场收敛于接近基板表面的点，从而按照预定图案将沉积材料精确地沉积在基板上。所述方法包括以下步骤：施加电压到喷嘴以朝基板表面喷射带电的沉积材料，以及对一个或更多个电场整形以控制带电的沉积材料的轨迹。随后通过控制所述轨迹将沉积材料按照预定图案沉积在基板上。
在一个实施方式中，一种用于在基板上静电纺丝材料的设备包括用于容纳沉积材料的储存器和与所述储存器流体连通的喷嘴。基板支架被用于支撑靠近所述喷嘴的基板。所述设备还包括耦接至所述喷嘴的电压源，以施加电势至所述喷嘴，从而从所述喷嘴喷射所述沉积材料。包括反电极的电场整形装置被安置以对在所述基板与所述喷嘴之间的电场整形。所述电场整形装置被用于影响从所述喷嘴喷射的所述沉积材料的轨迹。
在另一实施方式中，一种用于在基板上静电纺丝材料的设备包括用于容纳沉积材料的储存器和与所述储存器流体连通的喷嘴。所述喷嘴被用于输送所述沉积材料至基板的表面。所述设备还包括相对于所述喷嘴可移动的基板支架。基板支架被用于支撑靠近所述喷嘴的基板。电压源耦接到所述喷嘴以施加电势到所述喷嘴，从而从所述喷嘴喷射所述沉积材料。一个或更多个线圈安置成围绕位于所述喷嘴与所述基板支架之间的处理区域，所述一个或更多个线圈被用于影响从所述喷嘴喷射的所述沉积材料的轨迹。
在另一实施方式中，一种在基板上静电纺丝材料的方法包括：施加电压到喷嘴以朝向基板表面喷射带电的沉积材料；和对靠近所述基板的电场整形，以控制朝向基板表面的带电的沉积材料的轨迹。通过控制所述轨迹，随后按照预定图案将带电的沉积材料沉积在基板表面上。
附图说明
为了能详细理解本发明的上述特征，可通过参考实施方式而得到上文简要概述的本发明的更具体的说明，一些实施方式图示于附图中。然而，应注意的是，附图仅图示本发明的典型实施方式，且因此不应被视为本发明范围的限制，因为本发明可允许其他等同效果的实施方式。
图1A到图1D是根据本发明的各实施方式的静电纺丝设备。
图2是图示根据本发明的一个实施方式的一种使用静电纺丝设备沉积纳米线的方法的流程图。
图3A到图3B图示通过静电纺丝工艺形成的纳米线。
为了帮助理解，已尽可能使用相同标记数字来表示各图所共有的相同元件。应了解的是在一个实施方式中公开的元件可被有利地用于其他实施方式，而不再特定详述。
具体实施方式
本发明的实施方式大体包括用于通过在静电纺丝工艺期间控制沉积材料的轨迹而在静电纺丝工艺期间按照预定图案沉积纳米线的设备和方法。设备包括喷嘴和耦接至喷嘴的电压源，所述喷嘴用于容纳和喷射沉积材料。所述电压源施加电压至喷嘴，以使沉积材料从喷嘴朝基板喷射。一个或更多个电场整形装置(比如线圈或反电极)被安置以对靠近基板的电场整形，以控制所喷射的沉积材料的轨迹。电场整形特征结构对电场整形，以致电场收敛于接近基板表面的点，从而按照预定图案将沉积材料精确地沉积在基板上。所述方法包括以下步骤：施加电压到喷嘴以朝基板表面喷射带电的沉积材料，以及对一个或更多个电场整形以控制带电的沉积材料的轨迹。随后通过控制所述轨迹将沉积材料按照预定图案沉积在基板上。
图1A到图1D是根据本发明的各实施方式的静电纺丝设备。图1A图示静电纺丝设备100A。静电纺丝设备100A包括外壳102，在外壳102内设置有基板支架104和材料输送装置116。外壳102是由聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methylmethacrylate))形成的，并且用于在环境上隔离静电纺丝设备100A的内部108。开口110穿过外壳102形成，以便于基板112进入及离开静电纺丝设备100A的内部108。可致动门114被用于在静电纺丝工艺期间密封开口110及帮助外壳102的环境隔离。
基板支架104安置在静电纺丝设备100A的外壳102内、内部108的下部部分中。基板支架104适用于支撑靠近材料输送装置116的基板112(比如一片玻璃、聚丙烯(polypropylene)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate))。基板支架104是框架，所述框架具有穿过框架的中心部分形成的开口以暴露基板112的背面(例如，与材料输送装置116相对的表面)至反电极120。穿过基板支架104的开口允许反电极120(比如导电销、导电柱或导电筒)安置为靠近于基板112的背面。基板支架104相对于材料输送装置116和安置在外壳102的底部中的平台136上的反电极120是可移动的。通过致动器(未图示)和形成在外壳102的底部中或底部上的轨道来促进平台136的移动。平台136沿着外壳102的底部移动有助于在处理期间预定的一维或二维图案在基板112的上表面上的形成。因此，在静电纺丝设备100A内的静电纺丝工艺期间，反电极120和流体输送装置116保持静止，而基板112相对于反电极120和流体输送装置116移动，以在基板表面上形成沉积材料的图案。在一个实施方式中，预定图案可以是一维的图案，比如线条，或者可以是二维的图案，比如编织线或者正交的线。
反电极120是电场整形装置。反电极120由导电材料(例如，诸如铝之类的金属)形成。反电极120耦接至电压源124，电压源124施加电势到反电极120。带电的反电极120对位于材料输送装置116与基板支架104之间的工艺区域128内的电场线126整形或影响电场线126。反电极120使得电场线126收敛于接近基板122的表面的单一点。反电极120包括呈圆锥形的尖端122，尖端122位于反电极120的最接近基板112的端部。尖端122使得能够更精确地控制电场线126的发散点。尖端122具有大约10毫米的底宽和大约5毫米的高度。
材料输送装置116(比如注射器)安置成靠近基板112的上表面，并且被用于从储存器132输送沉积材料130穿过材料输送装置116的喷嘴134到达基板112的上表面。喷嘴134也是由导电材料(例如，诸如不锈钢之类的金属)形成的，并且耦接至电压源124。通过电压源124而使喷嘴134为电偏置的，这克服了在喷嘴134中存在的沉积材料130的表面张力，从而朝向基板112喷射沉积材料130。
控制器138连接至储存器132、电压源124及平台136，以用于控制静电纺丝设备100A内的工艺。控制器138控制施加到喷嘴134及反电极120的电势，以及控制平台136的移动，从而控制在基板112的上表面上的沉积材料的量及位置。控制器138通过控制平台136的x-y轴移动而促进沉积材料130在基板112的表面上形成预定图案。
在静电纺丝设备100A中的静电纺丝沉积工艺期间，将来自储存器132的沉积材料130提供到材料输送装置116。沉积材料130由毛细管作用而悬浮在材料输送装置116的喷嘴134中，直到来自电压源124的电势被施加到喷嘴134为止。来自电压源124的电势克服了喷嘴134中沉积材料130的表面张力，使得沉积材料130被从喷嘴134喷射出。施加来自电压源124的电势使得从喷嘴134喷射的沉积材料130带电。喷嘴134，以及相应地沉积材料130通常是以第一极性偏置，同时反电极120以相反极性偏置。反电极120以相反极性偏置会导致电场在基板112的表面附近收敛，从而将带电的沉积材料130引导到所期望的基板区域。由于由反电极120所引起的电场线126的收敛，沉积材料130被吸引到基板反电极尖端122的正上方的点，从而促进沉积材料130在基板112上的精确沉积。由于沉积材料130被引导到反电极120正上方的点，所以基板支架104能相对于反电极120移动，以按照预定的一维或二维图案来沉积沉积材料130。例如，当沉积材料130正被从喷嘴134喷射出时，基板支架104能沿x-y轴方向移动以在基板112的表面上沉积编织线、正交线或其他预定图案。
尽管图1A图示静电纺丝设备100A的一个实施方式，但是也可以设想其他实施方式。在另一实施方式中，设想基板支架104可在外壳102内保持静止，而反电极120和材料输送装置116的一或两者是可移动的。在又另一实施方式中，设想基板112可以是卷对卷(roll-to-roll)式基板或者柔性基板，以及基板支架104可被用于使用滚轴(roller)支撑柔性基板。在又另一实施方式中，设想反电极120的尖端122的尺寸可被调整以实现沉积材料130的所需对准精度。另外，虽然反电极120描述为对电场线126整形，但是应理解的是在一些实施方式中反电极可促进电场线126的形成，而并非仅仅对电场线126整形。
图1B图示根据本发明的另一实施方式的静电纺丝设备100B。静电纺丝设备100B类似于静电纺丝设备100A，区别在于静电纺丝设备100B利用带电的线圈140作为电场整形装置，而不是利用反电极作为电场整形装置。电线圈(electric coils)140围绕位于基板112与喷嘴134之间的处理区域128，且有助于对存在于处理区域128内的电场线126的整形和影响。线圈140是由导电材料(例如，诸如铝之类的金属)形成的，并且可以被电压源124电偏置，以对存在于处理区域内的电场线126整形。不同于静电纺丝设备100A(图1A)的反电极120，反电极120以与喷嘴134相反的极性偏置，而线圈140以与喷嘴134相同的极性偏置。从而，线圈140通过在线圈140内中心地聚焦电场线126及使电场线126在基板112的上表面附近发散来促进沉积材料130的精确沉积。由于相同极性的喷嘴134、沉积材料130和线圈140的斥力，电场线126被中心地聚焦在线圈140内。在处理期间，线圈140通常是在外壳102内的固定位置，而基板支架104使基板112相对于线圈和喷嘴134移动，以按照预定图案沉积沉积材料130。因为在静电纺丝设备100B中未使用反电极，所以基板支架104接地以帮助从喷嘴134(喷嘴134通常是正偏置的)朝向基板112引导电场线126。
设想可以在处理区域128中安置少于两个或者大于两个线圈140。进一步设想可以调整这些环相对于彼此以及相对于喷嘴134和基板112的大小和间距，以实现沉积材料130的所需轨迹。另外，设想可以在处理区域128内安置单一螺旋线圈140。
图1C图示根据本发明的另一实施方式的静电纺丝设备100C。静电纺丝设备100C类似于静电纺丝设备100B，区别在于线圈140的每一线圈的直径沿从喷嘴134到基板支架104的方向(例如，向下朝向基板支架104)减小。因此，线圈140形成类圆锥形，所述类圆锥形使电场线126中心地聚焦在线圈140内，以引导带电的沉积材料130到基板112的表面上的期望位置。通过进一步促进电场线126的收敛，与具有相同直径的线圈140(如图1B所示)相比，线圈140的直径的减小可进一步提高沉积材料130的沉积精度。
图1D图示根据本发明的又一实施方式的静电纺丝设备100D。静电纺丝设备100D类似于静电纺丝设备100A，区别在于静电纺丝设备100D包括在图1B中图示的线圈140。因此，静电纺丝设备100B具有两个电场整形装置：线圈140和反电极120。线圈140和反电极120用于对电场线126整形和使电场线126收敛，以按照预定图案将沉积材料130沉积在基板112的表面上。反电极120和线圈140的组合通过以两种不同的方式对所述电场整形而促进沉积材料130的增强的对准。具有与喷嘴134和沉积材料130相同的极性的带电的线圈140通过阻碍电场线126及向内推动电场线126而使电场线126中心地聚焦在线圈140内。具有与沉积材料130相反的极性的带电的反电极120将电场线126和沉积材料130吸引到基板112的表面上的精确位置。因此，通过两个不同的电场整形装置来实现电场线126的收敛。与当单独地使用线圈140或反电极120时相比，线圈140和反电极120的协同效应允许沉积材料130的更精确程度的沉积精度。
应注意静电纺丝设备100A-100D不受所图示的方向的限制。应了解的是静电纺丝设备100A-100D的任意一静电纺丝设备能横向地或倒置地(inverted)或以任何其他可操作的方向安置。
图2是图示根据本发明的一个实施方式的一种沉积纳米线的方法的流程图250。流程图250开始于操作251，在操作251，基板安置在静电纺丝设备内的基板支架上。基板安置在静电纺丝设备内，靠近材料输送装置的喷嘴。在操作252中，将来自电压源的电压施加到喷嘴。可在约5千伏到约40千伏的范围内的电压克服悬浮在喷嘴中的沉积材料的表面张力，并从喷嘴喷射沉积材料。沉积材料通常包括聚合物和金属材料或含金属材料的预定混合物。例如，所述聚合物可以是聚醋酸乙烯酯(polyvinyl acetate)或聚乙烯醇(polyvinylalcohol)，浓度在约1重量百分比与约30重量百分比之间，比如约3重量百分比至约15重量百分比。所述金属可以是以下之一或更多：银、铜、钛、镍、钯、铂、镁、金、锌、钨或铝。从喷嘴喷射的沉积材料通常具有约10cP至约50cP的粘度。
在施加电压到材料输送装置的喷嘴的同时，影响、形成靠近基板表面的电场线或对靠近基板表面的电场线整形以控制沉积材料的轨迹和按照预定图案将沉积材料引导到基板上。使用一个或更多个电场整形装置(比如线圈或反电极)对电场整形，通过电压源使所述一个或更多个电场整形装置电偏置。在操作254中，所述一个或更多个电场整形装置使电场线收敛并且由静电将带电的沉积材料引导到基板表面上，以为了在基板上形成预定的一维、二维或三维图案。所述预定图案可以对应于用于半导体装置的所需的结构，比如衬垫、丝线或者母线。
在操作255中，在材料已经按照预定图案沉积在基板上之后，可处理沉积材料以从沉积材料中去除聚合物材料，从而留下产生的纳米线。聚合物材料的去除在基板的表面上留下金属材料或含金属材料，所述金属材料或含金属材料具有在约10纳米至约10000纳米范围内的厚度。在含金属材料保持在基板上的实施方式中，可使用还原气体(比如氢或者氢原子团)还原含金属材料，以在基板的表面上留下导电的金属。用于去除聚合物材料的工艺的一个实例包括：在约1毫托至约760托的压强下，在约25摄氏度至约250摄氏度的温度下，于退火装置中使基板和所述基板上的沉积材料退火达约5分钟到约10分钟。沉积材料的退火使得聚合物从基板表面蒸发，在基板表面上留下按照预定图案的导电金属。
尽管流程图250图示一种通过静电纺丝沉积纳米线的方法的一个实施方式，但是也设想了其他实施方式。在另一实施方式中，设想可根据沉积材料的组成而不包括操作255。
图3A到图3B图示用静电纺丝工艺形成的纳米线。图3A图示基板312A上具有纳米线360A的基板312A的顶视图。纳米线360A是由导电材料(比如金属)形成的。纳米线360A是用没有电场整形装置的静电纺丝设备沉积的。因此，纳米线360A随机地沉积在基板312A上。基板312A包括具有高密度的纳米线360A的区域(比如区域362)，以及具有低密度的纳米线360A的区域(比如区域363)。纳米线360A在基板312A上的不均匀分布不利地影响装置性能。
图3B图示基板312B上具有纳米线360B的基板312B的顶视图。纳米线360B是由根据本发明的实施方式沉积的导电材料形成的。由于在沉积期间使用电场整形装置(比如线圈或反电极)，纳米线360B是按照预定图案沉积的，而不是沿随机方向沉积的。因此，遍及基板312B的表面以均匀的厚度和密度沉积纳米线360B，从而促进遍及基板312B的表面的均匀电导率。遍及基板312B的表面的均匀电导率使装置性能和效率最大化。应了解的是，能按照与图3B所图示的图案不同的预定图案沉积纳米线360B。
本发明的权益包括用于对准在静电纺丝工艺期间沉积的纳米线的方法和设备。所述方法和设备利用一个或更多个电场整形装置使在所述设备内的电场收敛到所期望的点。所述电场整形装置促进基板表面上纳米线的预定图案的形成和对准。因此，能在基板表面上形成具有均匀厚度和电导率的金属层。具有均匀厚度和电导率的金属层促进更高效装置的形成。
尽管上述内容针对本发明的实施方式，但在不背离本发明的基本范围的情况下可设计本发明的其他和进一步的实施方式，且本发明的范围是由以下要求保护的内容确定的。

Claims (5)

1.一种用于在基板上静电纺丝材料的设备，所述设备包括：
外壳；
储存器，所述储存器用于容纳沉积材料；
喷嘴，所述喷嘴安置于所述外壳内并且与所述储存器流体连通，所述喷嘴被用于输送所述沉积材料到基板的表面；
基板支架，所述基板支架相对于所述喷嘴可移动，所述基板支架安置在所述外壳内且被用于支撑靠近所述喷嘴的所述基板，其中所述基板支架包括框架，所述框架具有穿过所述框架的中心开口，所述基板支架被用于暴露所述基板的背面；
电压源，所述电压源耦接到所述喷嘴以施加电势到所述喷嘴，从而从所述喷嘴喷射所述沉积材料；
多个线圈，所述多个线圈安置成围绕位于所述喷嘴与所述基板支架之间的处理区域，其中所述多个线圈沿从所述喷嘴朝向所述基板支架的方向具有逐渐减小的直径，所述多个线圈被用于影响从所述喷嘴喷射的所述沉积材料的轨迹，其中所述电压源被用于施加电势到所述多个线圈，且施加到所述多个线圈的电势与施加到所述喷嘴的电势具有相同的极性；和
反电极，所述反电极安置在靠近所述基板、与所述喷嘴相对的一侧，所述反电极耦接到所述电压源，并且被用于影响从所述喷嘴喷射的所述沉积材料的所述轨迹。
2.如权利要求1所述的设备，其中：
所述电压源被用于施加电势到所述反电极；
施加到所述反电极的电势具有与施加到所述喷嘴的电势相反的极性；和
其中所述反电极是销，具有指向所述基板的圆锥形尖端。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述多个线圈彼此纵向间隔开并且具有轴向对准中心。
4.一种在基板上静电纺丝材料的方法，所述方法包括：
将基板安置在基板支架上，其中所述基板支架包括框架，所述框架具有穿过所述框架的中心开口，所述基板支架被用于暴露所述基板的背面；
施加第一电压到喷嘴以朝向所述基板的表面喷射带电的沉积材料；
对位于所述基板与所述喷嘴之间的处理区域内的电场整形，以控制朝向所述基板的所述带电的沉积材料的轨迹，其中对所述电场整形包括：
施加第二电压到多个线圈，所述多个线圈位于所述喷嘴与所述基板支架之间，其中所述多个线圈沿从所述喷嘴朝向所述基板支架的方向具有逐渐减小的直径，其中施加到所述多个线圈的电势与施加到所述喷嘴的电势具有相同的极性；和
施加第三电压到反电极，所述反电极安置在靠近所述基板、与所述喷嘴相对的一侧；和
通过控制所述轨迹而按照预定图案将所述带电的沉积材料沉积在所述基板的所述表面上。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述带电的沉积材料包括聚乙烯醇和铝。
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