CN107234804B - 一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印方法属于先进制造技术领域，涉及一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印方法。该方法中利用纳米尖表面毛细结构浸润聚焦，将阿升级液滴精确输送至聚焦射流点，从而将电射流打印分辨率由微米尺度提升至纳米尺度。方法首先制备并安装打印装置，然后通过给墨系统将墨水输送到纳米尖所在的容墨腔，墨水在纳米尖毛细浸润作用下形成聚焦液锥。接着施加浸润电压，聚焦液锥在电浸润作用下进一步锐化；最后施加脉冲电压，将纳米液滴发射至接收板上。该方法具有打印分辨率高，控制精度好，材料适应性广等特点，可用于3D纳米结构的精细打印制造。实现高精度、低成本、柔性化的电射流纳米打印制造。

Description

一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印方法。
背景技术
基于电流体动力学(Electrohydrodynamic)原理的电射流打印(E-jet printing)技术，利用电场力将流体拉伸成大颈缩比微射流，并结合工作平台的运动实现液滴的精确定位、沉积或结构直写。其工作原理是：在毛细喷孔和接收板之间施加适当电压，在喷孔出口处形成的弯月状液滴在电场切向力作用下被拉伸成尖锥状，并在尖锥末端形成微细的电流体动力射流,沉积到接收板上。在这一过程中，作用于液滴尖锥上的电场力和液滴重力、表面张力、粘滞力及惯性力保持动态平衡，以维持电流体动力射流的稳定。与传统的压电、加热或气泡驱动的喷墨打印技术相比，电射流打印技术的独特优势在于可用大直径喷孔获得远小于喷孔直径的射流，射流直径可比喷孔直径小1～2个数量级。
电流体动力射流的精确聚焦和控制是电射流打印的关键环节。在电射流打印过程中，电场力极易受到喷孔形状的影响而变得离散，难以获得精确聚焦的稳定射流。为了提高射流聚焦精度及其稳定性，文献Lee S,Byun D，Jung D,et al.Pole-type groundelectrode in nozzle for electrostatic field induced drop-on-demand inkjethead[J].Sensors&Actuators A Physical,2008,141(2):506-514.提出了一种在喷孔中内嵌柱状电极的电射流打印头结构，通过柱状电极增强喷孔出口的电场聚焦作用，以产生稳定、持续的微细射流。
现有研究表明，电流体动力射流的直径一般由喷孔直径的大小所决定，当使用微米级直径的喷孔时，可获得直径为亚微米尺度的射流，此时喷孔出口的弯月面液滴体积为飞升(femtoliter，10-15L)量级。以此类推，要想获得直径在纳米尺度(～100nm)以内的射流，需使喷孔出口的液滴体积降至阿升(attoliter，10-18L)量级，需要进一步缩小喷孔直径。基于此目的，相关研究一般通过缩小喷孔直径来提高电射流打印分辨率。文献J.Park,M.Hardy,S.Kang,K.Barton,K.Adair,D.Mukhopadhyay,C.Lee,M.Strano,A.Alleyne,J.Georgiadis,P.Ferreira&J.Rogers,High-resolution electrohydrodynamic jetprinting,Nat.Mater.2007,6,782–789.通过将喷孔内径减小至300nm～2μm范围，并将打印高度，喷孔至衬底间距降低至100μm以内，获得了最小特征尺寸为240nm的打印结构。然而，如需将电射流打印分辨率由亚微米尺度进一步提高至纳米尺度，基于传统锥-射流或脉动液滴射流模式的电射流打印技术仍面临着巨大挑战。大量前期研究已表明，当器件结构特征尺寸减小到纳米尺度时，由于材料和结构中量子效应的出现和表面效应的极大增强，器件性能将可获得质的飞跃。然而，目前上述纳米结构和器件多采用电子束、离子束、纳米压印等光刻工艺制成，其制造过程需要借助极为昂贵的纳米压印机、光刻机、聚焦离子束等设备来完成，工艺流程繁琐、制造成本极高，严重阻碍了纳米器件的大规模应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术缺陷，发明了一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印新方法。该方法中利用纳米尖表面毛细结构浸润聚焦，将阿升级液滴精确输送至聚焦射流点，突破喷孔型泰勒锥模式下电射流聚焦的物理尺度限制和系统工艺性限制，从而将电射流打印分辨率由微米尺度提升至纳米尺度，具有打印分辨率高，控制精度好，材料适应性广等特点，可用于3D纳米结构的精细打印制造。实现高精度、低成本、柔性化的电射流纳米打印制造。
本发明采取的技术方案是：一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印方法，其特征是，该方法中利用纳米尖表面毛细结构浸润聚焦，将阿升级液滴精确输送至聚焦射流点，在根本上突破喷孔型泰勒锥模式下电射流聚焦的物理尺度限制和系统工艺性限制，从而将电射流打印分辨率由微米尺度提升至纳米尺度；方法首先制备并安装打印装置，其中纳米尖的曲率半径为2～1000nm；然后通过给墨系统将墨水输送到纳米尖所在的容墨腔，墨水在纳米尖毛细浸润作用下形成聚焦液锥；接着施加10～2000V的浸润电压，聚焦液锥在电浸润作用下进一步锐化；最后施加10～4000V的脉冲电压，将纳米液滴发射至接收板上；同时通过调节10Hz～40kHz的脉冲电压频率，可控制其打印速率；纳米液滴发射后，纳米尖上的液膜在毛细压差的作用下从容墨腔中补充墨水，进入下一次液滴聚焦和发射周期；方法的具体步骤如下：
第一步，制备并安装打印装置
首先通过微制造工艺依次制备出纳米尖1和容墨腔3，其中纳米尖1位于容墨腔3中央；接着利用化学、物理方法构造纳米尖表面毛细结构2以改变纳米尖1的表面能，使墨水能够浸润其表面；其次制作出浸润电极4和脉冲电极5；为了实现两电极之间的绝缘，在制作出脉冲电极5后还要在其上制作出电气绝缘层6；最后将直流电源7和脉冲电源8分别与浸润电极4及脉冲电极5相连；将接收板9接地，用于接收并分离打印的液滴；
第二步，打印纳米液滴
配制打印墨水，通过给墨系统将墨水输送到纳米尖1所在的容墨腔3，使纳米尖1的底部浸入到墨水之中；墨水在纳米尖表面毛细结构2形成的作用力牵引下爬升并覆盖纳米尖1表面；接着通过直流电源7在浸润电极4上施加浸润电压，纳米尖1上的液膜在其外加电场浸润效应的作用下进一步变形、聚焦和锐化，形成阿升级的尖端液滴；最后通过脉冲电源8在脉冲电极5上施加脉冲电压，纳米尖1顶端的阿升级液滴在脉冲电压的作用下克服液膜表面张力和液膜粘滞力，被发射到接收板9上，随后纳米尖1上的液膜在毛细压差的作用下从容墨腔3中补充墨水，进入下一次液滴发射周期。
本发明的显著效果是打印分辨率高，可将电射流打印分辨率由百纳米尺度提升至纳米尺度(<100nm)。控制精度好，通过改变纳米尖表面毛细结构、曲率半径，可改变液体攀爬速率，进而控制液膜覆盖量和液滴打印体积；通过改变外加浸润电压大小和脉冲电压参数，可调节液膜聚焦状态，并进一步控制液滴打印体积。同时通过改变脉冲电压频率，可控制液滴打印速率，实现变速打印。材料适应性广，纳米尖代替打印喷孔，可适应多种成分、浓度、粘度等理化指标的墨水，有效扩大墨水种类及其适应性。该方法用于3D纳米结构的精细打印制造，实现了高精度、低成本、柔性化的电射流纳米打印制造。
附图说明
图1是本发明纳米尖浸润聚焦的电射流打印装置示意图，其中：1-纳米尖，2-纳米尖表面毛细结构，3-容墨腔，4-浸润电极，5-脉冲电极，6-电气绝缘层，7-直流电源，8-脉冲电源，9-接收板。
图2是纳米液滴的形成步骤示意图，其中：a)液面初始状态，b)纳米尖1毛细浸润形成聚焦液锥，c)聚焦液锥电浸润锐化，d)脉冲电压发射纳米液滴。
图3是施加脉冲电压后纳米液滴在不同时刻的形态仿真图，其中：a)1.8E-4s，b)2.5E-4s，c)2.9E-4s，d)3.3E-4s。
图4是本发明中利用湿法腐蚀工艺在硅基底上制备的纳米尖扫描电镜照片。
图5是利用本发明所打印的纳米液滴照片。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。
图1是本发明纳米尖浸润聚焦的电射流打印装置示意图，如图所示，方法首先制备并安装打印装置，方法的具体步骤如下：
第一步，制备并安装打印装置
首先在(100)双面抛光单晶硅片上通过各向异性湿法刻蚀依次制备出曲率半径约为10nm的纳米尖1和容墨腔3；接着利用化学、物理方法构造纳米尖表面毛细结构2以改变纳米尖1的表面能，使墨水能够浸润其表面；其次利用溅射及正胶剥离工艺依次制作出浸润电极4和脉冲电极5；为了实现两电极之间的电气绝缘，在制作出脉冲电极5后利用旋涂工艺制备聚酰亚胺电气绝缘层6；最后将直流电源7和脉冲电源8分别与浸润电极4及脉冲电极5相连；将接收板9接地，用来接收并分离打印的液滴；
第二步，打印纳米液滴
纳米液滴的形成步骤示意图如图2所示，在实验过程中，浸润电压大小为10V，脉冲电压幅值为10V，频率为10Hz；配制打印墨水，通过给墨系统将墨水输送到纳米尖1所在的容墨腔3，使纳米尖1的底部浸入到墨水之中；墨水在纳米尖表面毛细结构2形成的作用力牵引下爬升并覆盖纳米尖1表面；接着通过直流电源7在浸润电极4上施加10V的浸润电压，纳米尖1上的液膜在外加电场浸润效应的作用下进一步变形、聚焦和锐化，形成阿升级的尖端液滴；最后通过脉冲电源8在脉冲电极5上施加幅值为10V的脉冲电压，纳米尖1顶端的阿升级液滴在脉冲电压作用下克服其表面张力和液膜粘滞力，被发射到接收板9上，随后纳米尖1上的液膜在毛细压差的作用下从容墨腔3中补充墨水，进入下一次液滴发射周期。打印的纳米液滴如图5所示。
图3是施加脉冲电压后纳米液滴在不同时刻的形态仿真图，由图可以看出，在施加脉冲电压后的1.8E-4s到3.3E-4s，纳米尖上的聚焦液锥在切向电场力的作用下，突破液体粘滞力、表面张力及惯性力的束缚，被牵拉、断裂形成纳米液滴弹射至接收板上。
本发明一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印方法，突破喷孔型泰勒锥模式下电射流聚焦的物理尺度限制和系统工艺限制，从而将电射流打印分辨率由微米尺度提升至纳米尺度。该方法具有打印分辨率高，控制精度好，材料适应性广等特点，可用于3D纳米结构的精细打印制造。实现高精度、低成本、柔性化的电射流纳米打印制造。

Claims (1)

1.一种纳米尖浸润聚焦的电射流打印方法，其特征是，该方法中利用纳米尖表面毛细结构浸润聚焦，将阿升级液滴精确输送至聚焦射流点，在根本上突破喷孔型泰勒锥模式下电射流聚焦的物理尺度限制和系统工艺性限制，从而将电射流打印分辨率由微米尺度提升至纳米尺度；方法首先制备并安装打印装置，其中纳米尖的曲率半径为2～1000nm；然后通过给墨系统将墨水输送到纳米尖所在的容墨腔，墨水在纳米尖毛细浸润作用下形成聚焦液锥；接着施加10～2000V的浸润电压，聚焦液锥在电浸润作用下进一步锐化；最后施加10～4000V的脉冲电压，将纳米液滴发射至接收板上；同时通过调节10Hz～40kHz的脉冲电压频率，可控制其打印速率；纳米液滴发射后，纳米尖上的液膜在毛细压差的作用下从容墨腔中补充墨水，进入下一次液滴聚焦和发射周期；方法的具体步骤如下：
第一步，制备并安装打印装置
首先在双面抛光单晶硅片上通过各向异性湿法刻蚀依次制备出纳米尖(1)和容墨腔(3)，其中纳米尖(1)位于容墨腔(3)中央；接着利用化学、物理方法构造纳米尖表面毛细结构(2)以改变纳米尖(1)的表面能，使墨水能够浸润其表面；其次制作出浸润电极(4)和脉冲电极(5)；为了实现两电极之间的绝缘，在制作出脉冲电极(5)后还要在其上制作出电气绝缘层(6)；最后将直流电源(7)和脉冲电源(8)分别与浸润电极(4)及脉冲电极(5)相连；将接收板(9)接地，用于接收并分离打印的液滴；
第二步，打印纳米液滴
配制打印墨水，通过给墨系统将墨水输送到纳米尖(1)所在的容墨腔(3)，使纳米尖(1)的底部浸入到墨水之中；墨水在纳米尖表面毛细结构(2)形成的作用力牵引下爬升并覆盖纳米尖(1)表面；接着通过直流电源(7)在浸润电极(4)上施加浸润电压，纳米尖(1)上的液膜在其外加电场浸润效应的作用下进一步变形、聚焦和锐化，形成阿升级的尖端液滴；最后通过脉冲电源(8)在脉冲电极(5)上施加脉冲电压，纳米尖(1)顶端的阿升级液滴在脉冲电压的作用下克服液膜表面张力和液膜粘滞力，被发射到接收板(9)上，随后纳米尖(1)上的液膜在毛细压差的作用下从容墨腔(3)中补充墨水，进入下一次液滴发射周期。
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