CN110092347A - 一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置和方法 - Google Patents

一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置和方法 Download PDF

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刘梦然
尚华宝
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Abstract

本发明公开了一种基于C切铌酸锂晶片光操控微液滴制备微纳电极的装置，该装置包括激光器1、半透半反镜2、物镜3、铌酸锂晶片4、接收板5、物镜6、半透半反镜7、滤光片8、CCD相机9、快门10、背景光源11。所述铌酸锂晶片4与所述接收板5形成的上下平行结构作为操控微液滴的核心装置，其中铌酸锂晶片作为空间电荷场的产生者和待操控液体的盛放容器，接收板作为接收微液滴和形成微液滴图案的衬底。使用的接收板材料可根据实际需要来进行选择，接收板可以为任意材料。接收板与铌酸锂晶片之间无严格的距离限制，在较大的距离范围内均可以实现微液滴的转移。本发明利用铌酸锂光伏操控技术，实现对微液滴的实时操控及微纳电极的制备，在检测单分子和单纳米颗粒、临床、环境监测以及不同产物的定向控制等方面应用前景广泛。

Description

一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种光伏操控技术，具体是一种基于C切铌酸锂晶片光伏操控微液滴制备微纳电极的装置和方法。
背景技术
随着电极制备技术的不断发展，使用者对电极在精度和尺寸上的要求也越来越高；普通的电极制备技术有电镀法，蒸镀法，化学沉积法等，这些方法都适用于大面积地制备电极，且在宏观领域得到了很好的应用；但是随着现在光电器件的小型化和紧凑化的发展，其要求电极的制备精度越来越高，尺寸越来越小。微纳电极作为新时代高科技的必备产品而备受青睐。微纳电极的应用可以突破常规电极对于电子传输速率的瓶颈，在检测单分子和单纳米颗粒、临床、环境监测以及不同产物的定向控制等方面应用前景广泛。
本专利采用铌酸锂光伏操控技术在铌酸锂基底上操控溶胶液体，将得到的图案化微液滴烧结制备微纳电极。铌酸锂光伏操控技术以其较为便捷和分辨率高的特点被用于微液滴操控中，通过铌酸锂光伏操控技术，可以实现对微液滴的实时操控，在纳米材料的制备方面具有重要的意义。
铌酸锂光伏操控技术可以操控多种不同类型的液体，如今大多数的喷射装置必须在外加电压的作用下才可工作，而铌酸锂光伏操控技术是利用铌酸锂晶体是光折变晶体这一特性，通过其在光激发条件下产生的局部空间电荷场来操控液体，实现对液体分配和移动。同时，使用铌酸锂晶体来操控液体可在一定程度上缩减成本，提高效率，并且降低对衬底污染的概率，溶胶凝胶法制备的液体因其烧结后能够导电而成为我们所选用的前驱体。本专利实现了溶胶液体在铌酸锂基底与接收板之间的转移和三维空间的操控，即可以实现溶胶液体的图案化打印，我们将喷射完成后的图案化溶胶液滴进行烧结等处理后即可制成微纳电极。
发明内容
本发明针对现有技术光刻法制作微纳电极的缺陷和不足，提供了一种基于铌酸锂光伏操控微液滴制备微纳电极的装置及方法，通过三轴组合移动平台编程控制移动路径和移动速度，实现将微量溶胶液滴喷射到接收板二维平面的任意指定位置，整套装置可以实现实时观测。
一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置，其特征在于：按激光器1、快门10、半透半反镜2、物镜3、铌酸锂晶片4、接收板5的顺序形成微液滴操控光路，按背景光源11、半透半反镜2、物镜3、铌酸锂晶片4、接收板5、物镜6、半透半反镜7、滤光片8、CCD相机9的顺序形成实时观测光路，通过以上两条部分重合的光路实现了溶胶微液滴的转移和实时观测同时进行。
一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的方法，其特征在于：掺锑的氧化锡溶胶置于铌酸锂上，在激光的辐照下极小量溶胶液滴从待操控液滴中分离，并转移到上部的接收板处，实现了溶胶液体的转移。
一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的方法，其特征在于：所述接收板可根据实际需要进行选择，接收板可以为任意材料。
一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的方法，其特征在于：接收板与铌酸锂晶片之间无严格的距离限制，在较大的距离范围内均能实现微液滴的转移。
一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的方法，其特征在于：对所得溶胶图案进行烧结，实验可得掺锑的氧化锡溶胶烧结后具有良好的导电性，从而实现了微纳电极的优良制备。
相对于传统的微纳电极制造技术，本方法的创新点在于既不需要复杂的电路也不需要复杂的化学物质，可较好的制造微纳电极，避免了其他化学试剂的污染；同时应用了铌酸锂基光操控技术来操控液滴，得到图案化的微液滴；除此之外，氧化锡溶胶的制备过程无毒无污染，并且烧结后具有良好的导电性。由此看来，此种方法制备微纳电极有可操控性强、成本低、高精度和高效率的优点，其在今后图案化微纳电极的制备上将会有重要的影响。
附图说明
图1为本发明基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置整体结构示意图
图2为本发明基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置实施例(实例1)的喷射过程图
图3为本发明基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置实施例(实例2)的喷射过程图
图4为本发明基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置实施例(实例3)的电极图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
本发明公开了一种基于C切铌酸锂晶片光操控微液滴制备微纳电极的装置，该装置包括激光器1、半透半反镜2、物镜3、铌酸锂晶片4、接收板5、物镜6、半透半反镜7、滤光片8、CCD相机9、快门10、背景光源11。该装置按激光器1、快门10、半透半反镜2、物镜3、铌酸锂晶片4、接收板5的顺序形成操控光路，按背景光源11、半透半反镜2、物镜3、铌酸锂晶片4、接收板5、物镜6、半透半反镜7、滤光片8、CCD相机9的顺序形成实时观测光路。所述铌酸锂晶片与所述接收板形成的上下平行结构作为操控微液滴的核心装置，其中铌酸锂晶片作为空间电荷场的产生者和待操控液体的盛放容器，接收板作为接收微液滴和形成微液滴图案的衬底，所述铌酸锂晶片与所述接收板分别固定在两个三轴组合移动平台上，分别实现二者三维方向的运动。
本发明公开了一种基于C切铌酸锂晶片光操控微液滴制备微纳电极的方法，该方法包括以下步骤：
第一步：制备掺锑氧化锡溶胶。
首先在电子天平上称取2.256gSnCl2·2H2O，将其溶解在50ml的无水乙醇中，将该混合物在78℃下恒温回流5小时，然后将0.2282gSbCl3掺入到上述混合液中在78℃下回流3小时。回流完成后将液体倒入烧杯中在空气中蒸发至20ml，最后在30℃恒温水浴中静置陈化12小时，形成掺锑氧化锡溶胶。
第二步，用移液枪把掺锑氧化锡溶胶移放到C切铌酸锂晶片上，每次实验的移液量在0.4～1.5ul。将盛有带操控液体的铌酸锂晶片放置在三轴组合移动平台上，调节三轴组合移动平台，使液体所处位置位于物镜中轴线处。
第三步，打开激光器，使激光聚焦于铌酸锂晶片上，待喷射溶胶位于激光焦点位置的正上方，对焦时所用激光功率在4～5mW为宜，对焦完成后关闭激光。调节位于接收板上方的物镜与接收板之间的距离，直至能够在CCD相机中清晰地看到晶片的表面。
第四步，打开激光器，调节激光功率在8～10mW范围内，同时在相机中观察接收板表面，几秒钟后，即可看到有极小量溶胶液滴从铌酸锂转移到接收板上。
第五步，通过与接收板相连的三轴组合移动平台来调节接收板在平行于铌酸锂晶片的方向上移动，三轴组合移动平台的控制是通过输入特定的程序来进行的，根据所需的微液滴图案来设计接收板的移动路径，从而编制不同的程序，以得到微液滴的任意图案。
第六步，将含有微液滴图案的接收板衬底进行烧结，得到固态微纳电极。
所述激光器1，要求发出的激光照射到铌酸锂晶片能有效形成光生伏打场，其场强应尽可能的大，所以激光波长应介于350～550nm，功率介于2～250mW。背景光源可使用氙灯、卤素灯或高功率白光LED灯。聚焦物镜放大倍率8～50倍。
综合上述并考虑元件的成本以及溶胶的喷射效果，各参数的优选范围是：激光器1波长介于400～550nm，功率介于8～10mW，背景光源选用卤素灯，聚焦物镜放大倍率介于10～25倍，成像物镜放大倍率介于10～25倍。在此装置上的所有光学元件和电子器件全部固定到刚性连接架12上，保证了光的正确传播和测量精度。
本发明方案的工作原理：C切铌酸锂晶片具有反常光生伏打效应(一种弱光非线性光学效应)，当毫瓦级别的激光聚焦辐照铌酸锂晶片时，会激发铌酸锂表面产生空间电荷场，该空间电荷场会使铌酸锂上的溶胶液滴极化，使极小量溶胶液滴从待操控液滴中分离，由于铌酸锂上部适当距离处放置了一个接收板，极小量的溶胶液滴便会从铌酸锂上转移到上部的接收板处，从而实现了溶胶液体的转移。此外，本项目所用溶胶是掺锑氧化锡溶胶，该溶胶是制备透明导电薄膜的热点材料，因此，其作为制备微纳电极的原材料的可行性较高。
下面给出本发明利用铌酸锂基光操控制备微液滴图案及微纳电极的实例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制申请权力要求保护的范围。
实例1
使用405nm激光器，激光功率为8mW，背景光源使用卤素灯，三轴移动平台的程序运行速度为30μm/min，接收板的运动路径设定为L形，接收板材料为石英晶片。设置完成后，打开激光器，并在CCD相机中观察接收板表面，当第一滴液滴被喷到接收板上时，立即启动程序，程序运行完毕后，即可得到尺寸为几十微米的液滴分散而成的L形微液滴图案。
实例2
使用405nm激光器，激光功率为8mW，背景光源使用卤素灯，三轴移动平台的程序运行速度为20μm/min，接收板的运动路径设定为直线形，接收板材料为有机玻璃。设置完成后，打开激光器，并在CCD相机中观察接收板表面，当第一滴液滴被喷到接收板上时，立即启动程序，程序运行完毕后，即可得到尺寸为几微米的液滴分散而成的直线形微液滴图案。
实例3
将得到的尺寸为几微米的微液滴图案在500℃下烧结，即可得到导电性能良好的微纳电极。
以上所述具体实例对本发明的技术方案、实施办法做了进一步的详细说明，应理解的是，以上实例并不仅用于本发明，凡是在本发明的精神和原则之内进行的同等修改、等效替换、改进等均应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的装置，其特征在于：按激光器1、快门10、半透半反镜2、物镜3、铌酸锂晶片4、接收板5的顺序形成微液滴操控光路，按背景光源11、半透半反镜2、物镜3、铌酸锂晶片4、接收板5、物镜6、半透半反镜7、滤光片8、CCD相机9的顺序形成实时观测光路，通过以上两条部分重合的光路实现了溶胶微液滴的转移和实时观测同时进行。
2.一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的方法，其特征在于：掺锑的氧化锡溶胶置于铌酸锂上，在激光的辐照下极小量溶胶液滴从待操控液滴中分离，并转移到上部的接收板处，实现了溶胶液体的转移。
3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的方法，其特征在于：所述接收板可根据实际需要进行选择，接收板可以为任意材料。
4.一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的方法，其特征在于：接收板与铌酸锂晶片之间无严格的距离限制，在较大的距离范围内均能实现微液滴的转移。
5.一种基于铌酸锂光操控微液滴制备微纳电极的方法，其特征在于：对所得溶胶图案进行烧结，实验可得掺锑的氧化锡溶胶烧结后具有良好的导电性，从而实现了微纳电极的优良制备。
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