CN111716715B - 一种基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光技术领域，涉及一种基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法，将光驱动粉末材料浸入液体中，使用激光束辐照液体中的材料，利用光驱动实现材料在目标基底上的沉积打印；既具有喷墨打印等增材制造技术的便捷性和可设计性，同时又具有投影曝光技术的高精度和大面积高效制造等优势，是一种颠覆性的微纳米沉积打印技术，整个沉积打印过程简单高效，绿色环保，应用前景广阔。
Description
技术领域：
本发明属于激光技术领域，涉及一种基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法。
背景技术：
以集成电路为代表的微纳米系统是电子信息产业的重要组成部分，而微纳米系统的制造离不开微纳米制造技术。先进的微纳米制造技术是需要长期积累的、基础性的、战略性的技术，更是未来的人工智能、物联网、量子信息与计算等新型产业的发展基石。本发明专利旨在提出一种新概念的、新原理的微纳米制造技术。
当前的大规模集成电路制造主要采用投影式光学曝光技术，其主要原理为，光束通过带有电路设计图案的掩模版，投影在光刻胶上完成曝光过程，然后经过显影刻蚀、图形转移等过程完成器件制备。经过几十年的发展，投影式光学曝光技术已炉火纯青，其中，近乎苛刻的光束控制可以实现亚10nm甚至亚5nm的超小器件结构。与此同时，并行化的投影曝光工艺所带来的规模效应又大大降低了生产成本，最终使得过去几十年间微电子行业能够持续健康发展。
近些年来，半导体/金属纳米颗粒、有机光电材料，石墨烯等新材料的制备逐渐成熟，催生出柔性电子器件、可穿戴设备、生物相容器件等新的发展方向和新的微纳米加工需求。传统的大规模集成电路制造工艺主要面向以硅基电子学为基础的刚性器件，不足以应对上述挑战，各种新型的微纳米加工方法应运而生，其中，以喷墨打印为代表的增材式打印沉积技术尤其引人关注，喷墨打印技术的墨水可以是纳米颗粒、导电聚合物、石墨烯等多种材料，仅以石墨烯为例，透明导电膜、传感器、超级电容器、射频天线等大量的石墨烯电子器件都可以通过喷墨打印实现。作为一种增材式转移沉积技术，喷墨打印的主要优势在于，可以灵活地将墨水材料按照所设计的路径直接转移到包含柔性基底在内的各种基底上，工艺非常简单。然而，受喷口尺寸和墨水液滴表面张力等因素的限制，喷墨打印技术当前也面临两个重大挑战：其一，打印分辨率不够高，当前大多停留在几十微米的级别；其二，很难像投影式曝光那样真正实现高效率、规模化的并行制造。
能否综合喷墨打印和投影曝光两种微纳米制造技术的优势，使之适用于新兴的非硅新材料和柔性电子器件的加工呢？事实上，从上述分析可以看出，喷墨打印面临的两个挑战恰好是投影式光学曝光技术所长期研究和擅长的。试想，如果能够使用激光束在某种介质(如去离子水等)中直接驱动微纳米材料进行定向运动，就可以将微纳米材料转移到目标基底上了，并且材料转移的面积、甚至图案都可以通过光束控制来设计。这其中实现材料的无损的光驱动是前提和关键，也是这种微纳米制造方法的重要创新点。基于此，设计一种基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法，利用激光束辐照具备光驱动性能的粉末材料，可以一步实现其在各种基底上的沉积打印。
为了实现上述目的，本发明基于液相光驱动进行激光微纳米沉积打印的具体过程为：将光驱动粉末材料浸入液体中，使用激光束辐照液体中的材料，利用光驱动实现材料在目标基底上的沉积打印。
本发明所述光驱动粉末材料包括石墨烯粉末材料，但不限于石墨烯材料，尺寸为微纳米级。
本发明所述激光束的光斑大小接近或大于光驱动粉末材料的尺寸，激光功率密度大于250mW/cm2。
本发明所述激光束为连续激光或脉冲激光，优选连续激光；波长为紫外到红外波段，优选可见波段。
本发明所述液体应具有较高的激光透过率(透明度)，包括普通自来水、去离子水、海水、油等，但不限于所列举的液体，对其它未列举的液体同样适用，优选为具有较高激光透过率的液体。
本发明所述光驱动距离达厘米级至米级，原则上只要激光功率密度满足要求，驱动距离不受限制。
本发明所述沉积打印既能使用单束激光进行单点沉积打印，也能使用多束激光同时进行多点沉积打印，还能使用图案化的投影光束实现图案化的沉积打印。
本发明所述目标基底既可以是硬质基底(玻璃，硅等)，也可以是柔性基底(如PET，硅胶等)。
本发明能实现亚微米级的分辨率，其打印精度由光驱动粉末材料的尺寸和激光光斑的尺寸决定，两者的尺寸越小，打印精度越高。
本发明所述的激光微纳米沉积打印技术完全可以实现米级的大面积沉积打印，其实现方式至少有两种，一种是通过控制激光束的移动来实现，另一种是通过使用大面积的投影光束来实现。
本发明与现有技术相比，克服了现有投影曝光技术中步骤复杂、成本高昂、难以应对柔性基底的缺点；同时克服了喷墨打印技术中分辨率不高、难以大面积高效打印的缺点，既具有喷墨打印等增材制造技术的便捷性和可设计性，同时又具有投影曝光技术的高精度和大面积高效制造等优势，是一种颠覆性的微纳米沉积打印技术，整个沉积打印过程简单高效，绿色环保，应用前景广阔。
附图说明：
图1为本发明所述一种基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印技术的工作原理流程图。
图2为本发明实施例1中基于液相光驱动的激光沉积石墨烯粉末的实验装置照片，其中，1-激光器，2-激光束，3-平面反射镜，4-去离子水，5-石墨烯材料，6–目标基底。
图3为本发明实施例1所使用的商用石墨烯粉末。其微观结构为一层以上的石墨烯微纳米片(经过液相超声处理即可获得)。
图4为本发明实施例1所搭建的实验装置的光路设计照片。其中白线表示激光束传播方向，激光束由左侧的半导体激光器发出。
图5为本发明实施例1所搭建的全部实验装置的实物照片。其中烧杯内为石墨烯悬浊液，呈黑色，烧杯底部放置一块用于沉积石墨烯粉末的玻璃片。
图6为本发明实施例1中在玻璃基底上利用光驱动原理沉积的石墨烯粉末。其中黑色方框部分是激光辐照的区域，已沉积了一层石墨烯粉末。
图7为本发明实施例2中，在没有玻璃基底时，去离子水中的石墨烯粉末在激光辐照下的运动状态。
具体实施方式：
为更好地说明本发明，便于理解技术方案，下面通过实施例并结合附图对本发明进一步详细说明。
实施例1：
本实施例基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印的具体过程包括：
(1)在去离子水4中浸入石墨烯材料5；
(2)如图2所示，激光器1发出的激光束2通过平面反射镜3后沿着竖直方向自下而上射入步骤(1)所述的去离子水中，辐照浸入其中的石墨烯粉末，并在光束穿过去离子水后的传播路径上放置一块玻璃基底以便沉积石墨烯，所用的连续激光束为平行光，光斑直径约为2mm，功率为75mW，波长为488nm，其打印结果如图6所示，通过液相中的光驱动，石墨烯粉末材料已经沉积到了图中所示的黑色方框内部。
实施例2：
本实施例对没有玻璃基底时，在激光辐照下，石墨烯粉末在去离子水中的运动情况进行了实验，激光束自下而上照射，激光传播路径上的石墨烯粉末向上运动，某时刻其运动状态如图7所示，该实施例再次证明激光辐照对微纳米尺度的石墨烯粉末有明显的驱动作用，这一驱动力可以被用来实现石墨烯材料的转移和沉积。
由实施例1和2可以看出，本实施例利用液相光驱动这一新原理，可以实现微纳米材料在基底上的高效沉积打印；所述方法简单高效，绿色环保，应用前景广阔。
Claims (6)
1.一种基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法，其特征在于具体过程为：将石墨烯粉末材料材料浸入液体中，使用激光束辐照液体中的材料，利用光驱动实现材料在目标基底上的沉积打印，其中激光束的激光功率密度大于250mW/cm2，液体为普通自来水、去离子水、海水和油中一种，目标基底为玻璃或硅。
2.根据权利要求1所述基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法，其特征在于所述石墨烯粉末材料的尺寸为微纳米级。
3.根据权利要求1所述基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法，其特征在于所述激光束的光斑大小接近或大于光驱动粉末材料的尺寸。
4.根据权利要求1所述基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法，其特征在于所述激光束为连续激光或脉冲激光，波长为紫外到红外波段。
5.根据权利要求1所述基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法，其特征在于所述光驱动距离达厘米级至米级。
6.根据权利要求1所述基于液相光驱动的激光微纳米沉积打印方法，其特征在于所述沉积打印既能使用单束激光进行单点沉积打印，也能使用多束激光同时进行多点沉积打印，还能使用图案化的投影光束实现图案化的沉积打印。
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