CN112024904A - 一种数码可控打印铜纳米导线的方法 - Google Patents

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徐雯龙
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Abstract

本发明为一种数码可控打印铜纳米导线的方法。该方法包括如下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮、三氟乙酸铜溶于混合溶剂中，常温搅拌0.5～24小时，制备为前驱体溶液；然后利用电流体喷印设备将前驱体溶液打印，得到纳米线阵列；将纳米线阵列在空气气氛下300～500℃下煅烧30‑120分钟，再置于管式炉中，在氢气气氛下300～500℃煅烧1～5小时，得到铜纳米导线。本发明得到的铜纳米导线透光率高、尺寸可控、排列整齐，可用于场效应晶体管、传感器等领域，具有操作简单、工艺简便、可大规模制备的优点。

Description

一种数码可控打印铜纳米导线的方法
技术领域：
本发明属于先进材料制造领域，具体来说，本发明涉及一种数码可控打印铜纳米导线的方法。
背景技术：
纳米线在各种电子应用中得到开发，在能源收集、存储、逻辑电路、光电子、生物电子和人工智能等诸多领域中具有巨大的发展潜力。其中无机纳米线被认为是克服传统光刻方法局限性的理想纳米电子元件。目前还没有技术可以通过单独的定位和校准控制来实现纳米线的大规模定向制备，不能单独精确控制纳米线的长度、方向、位置和数量，从而制造出大规模对齐的纳米线阵列。在传统集成电路工业，多采用蚀刻方法制备铜导线，大部分的沉积金属会被溶解刻蚀。产生大量的废液。因此为避免传统光刻技术中氧化物层的沉积和成图过程复杂，以及现有的无机纳米线制备技术中的对准困难，需要一种新的技术。
基于此问题导向，我们通过自主研发的数码可控纳米线打印技术，把功能性导电墨水印制到基材形成电子元器件和电路等电子产品，具有操作简单、成本低、个性化、绿色环保、等优点，解决了现有的技术所制备的纳米线结构的排列无序的国际性难题，并保留了所有的贵重金属，大大降低了生产成本，提高了材料利用率。
发明内容：
本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种数码可控打印铜纳米导线的方法。该方法以N,N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃为混合溶剂，溶解聚乙烯吡咯烷酮、三氟乙酸铜制得前驱体溶液，然后利用高分辨率电流体喷印设备打印出纳米线阵列，经高温退火及低温还原后制备出铜纳米导线。本发明得到的铜纳米导线透光率高、尺寸可控、排列整齐，可用于场效应晶体管、传感器等领域，解决了现有技术制备纳米导线工序繁琐、操作困难及污染严重的问题，具有操作简单、工艺简便、可大规模制备的优点，并且制得的铜纳米导线导电性能优异，具有的导电参数与块状铜具有同一数量级。
本发明的技术方案为：
一种数码可控打印铜纳米导线的方法，该方法包括如下步骤：
(1)将N,N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合，得到混合溶剂；
其中，质量比为，N,N-二甲基甲酰胺：四氢呋喃＝1～4:1；
(2)将聚乙烯吡咯烷酮、三氟乙酸铜溶于混合溶剂中，常温搅拌0.5～24小时，制备为前驱体溶液；
其中，质量比为，聚乙烯吡咯烷酮：三氟乙酸铜＝1:1～3；前驱体溶液中，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为5～15％；
(3)利用电流体喷印设备将前驱体溶液打印，得到纳米线阵列；
其中，注射器针头和接收面之间的电压为0.5～2.5kV、注射器针头距基板的距离为1～6mm，将注射器针头出液流量设置为1～50nl/min，将基板运动速度设置为300～1000mm/s；
(4)将纳米线阵列在空气气氛下300～500℃下煅烧30-120分钟，再置于管式炉中，在氢气气氛下300～500℃煅烧1～5小时，得到铜纳米导线；
所述的铜纳米导线的直径为50～5000nm，间距为5-1000μm。
本发明的实质性特点为：
当前的静电纺丝中，需要较大电压(约15KV)，而本发明的纳米线打印技术所用的电压较小(1KV左右)；另一方面，静电纺丝中接收板是固定的，而本发明的数码可控纳米线打印技术，纳米线打印过程中的基板是高速运动的，从而使制备笔直的铜纳米导线成为可能，为无机电极材料的制备开辟新径。
本发明的有益效果为：
与传统的电极制备方法贵金属溅射及蒸发等相比较，本方案所制备的电极简单便利，且不需要掩膜板；与非接触式的喷墨打印技术相比较，本方案所制备的电极不需要较为苛刻的溶液条件，也不需要电极溶液与基板具有较好的相容性及稳定性，通过数码可控打米线打印技术，制备出透光率高、长而连续、尺寸均匀、数码可控的铜纳米导线。本方案适用于更多类型的基底，因而能够应用于更多领域，如传感器、晶体管等等，相比于利用高分辨率电流体喷印设备制备的其他材料，本发明得到的铜纳米导线具有优异的导电性(与块状铜具有同一数量级)，适用于大规模工业化纳米导线生产。
附图说明：
图1为实施例1中铜纳米导线阵列的光学显微镜图片；
图2为实施例1中铜纳米导线的光学显微镜图片；
图3为实施例1中铜纳米导线的FESEM图片；
图4为实施例1中铜纳米导线电导率测试示意图；
图5为在玻片上打印50条铜纳米导线阵列的数码图像。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
具体实施方式：
实施例1
(1)将质量比为2:1的N,N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合，制备为混合溶剂；
(2)将聚乙烯吡咯烷酮、三氟乙酸铜溶于N,N-二甲基甲酰胺/四氢呋喃的混合溶剂中，常温搅拌12小时，制备为前驱体溶液，其中，前驱体溶液中，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为9.56％，聚乙烯吡咯烷酮与三氟乙酸铜的质量比为1:1.77；
(3)利用电流体喷印设备(E-Jet)将混合溶液数码可控的打印纳米线阵列，控制注射器针头和接收面之间的电压为0.8kV、注射器针头距基板的距离为3mm，将注射器针头出液流量设置为10nl/min，将基板运动速度设置为150mm/s；
(4)将纳米线阵列在空气气氛下500℃下煅烧30分钟，置于管式炉中，在氢气气氛下500℃煅烧1小时，得到铜纳米导线。
图1为实施例1中铜前驱体纳米导线的光学显微镜图片，可以看出纳米线阵列排布均匀，纳米线阵列的长度约为2000微米。图2和图3分别为铜纳米导线阵列及单根铜纳米线的光学显微镜图片，可以看出笔直的纳米线直径约为900纳米，间距约为20微米。图4为铜纳米导线电导率测试示意图，将两根金属探针搭接在铜纳米导线两端，使用吉时利4200A-SCS半导体参数分析仪测试其电阻，进而通过公式G＝κA/L计算出纳米导线的电导率。其中，被测铜纳米导线的长度为116.87μm，十次测量电阻的平均值为108.728Ω，计算出的电导率为1.4S/μm，与块状铜具有同一数量级，符合铜导线电导率的标准。图5为在玻片上打印50条铜纳米导线阵列的数码图像，可以看出纳米导线的光透过性较好。
本发明通过对前驱体纳米线进行高温烧结及低温还原，使纳米导线具有良好的导电性能。
实施例2
(1)将质量比为3:1的N,N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合，制备为混合溶剂；
(2)将聚乙烯吡咯烷酮、三氟乙酸铜溶于N,N-二甲基甲酰胺/四氢呋喃的混合溶剂中，常温搅拌15小时，制备为前驱体溶液，其中，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为12％，聚乙烯吡咯烷酮与三氟乙酸铜的质量比为1:3；
(3)利用电流体喷印设备将混合溶液数码可控的打印纳米线阵列，控制注射器针头和接收面之间的电压为2.5kV、注射器针头距基板的距离为3mm，将注射器针头出液流量设置为50nl/min，将基板运动速度设置为800mm/s；
(4)将纳米线阵列在空气气氛下500℃下煅烧60分钟，置于管式炉中，在氢气气氛下300℃煅烧1小时，得到铜纳米导线；纳米线的直径为950nm，间距为500μm；
实施例3
(1)将质量比为4:1的N,N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合，制备为混合溶剂；
(2)将聚乙烯吡咯烷酮、三氟乙酸铜溶于N,N-二甲基甲酰胺/四氢呋喃的混合溶剂中，常温搅拌1小时，制备为前驱体溶液，其中，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为10％，聚乙烯吡咯烷酮与三氟乙酸铜的质量比为1:2；
(3)利用电流体喷印设备将混合溶液数码可控的打印纳米线阵列，控制注射器针头和接收面之间的电压为2kV、注射器针头距基板的距离为5.5mm，将注射器针头出液流量设置为10nl/min，将基板运动速度设置为5000mm/s；
(4)将纳米线阵列在空气气氛下400℃下煅烧300分钟，置于管式炉中，在氢气气氛下400℃煅烧1小时，得到铜纳米导线。纳米线的直径为900nm，间距为800μm。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (3)

1.一种数码可控打印铜纳米导线的方法，其特征为该方法包括如下步骤：
(1)将N,N-二甲基甲酰胺与四氢呋喃混合，得到混合溶剂；
其中，质量比为，N,N-二甲基甲酰胺：四氢呋喃＝1～4:1；
(2)将聚乙烯吡咯烷酮、三氟乙酸铜溶于混合溶剂中，常温搅拌0.5～24小时，制备为前驱体溶液；
其中，质量比为，聚乙烯吡咯烷酮：三氟乙酸铜＝1:1～3；前驱体溶液中，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为5～15％；
(3)利用电流体喷印设备将前驱体溶液打印，得到纳米线阵列；
其中，注射器针头和接收面之间的电压为0.5～2.5kV、注射器针头距基板的距离为1～6mm，将注射器针头出液流量设置为1～50nl/min，将基板运动速度设置为300～1000mm/s；
(4)将纳米线阵列在空气气氛下300～500℃下煅烧30-120分钟，再置于管式炉中，在氢气气氛下300～500℃煅烧1～5小时，得到铜纳米导线。
2.如权利要求1所述的数码可控打印铜纳米导线的方法，其特征为所述的铜纳米导线的直径为50～5000nm。
3.如权利要求1所述的数码可控打印铜纳米导线的方法，其特征为所述的纳米线阵列的间距为5-1000μm。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2011592A1 (en) * 2007-07-05 2009-01-07 Interuniversitair Microelektronica Centrum Photon induced formation of metal comprising elongated nanostructures
CN102787347A (zh) * 2012-09-04 2012-11-21 上海师范大学 一种超长铜纳米线和铜纳米线导电薄膜的制备方法
CN104064628A (zh) * 2014-07-01 2014-09-24 扬州大学 一种铜铟硒碲纳米线的制备方法
CN106366769A (zh) * 2016-09-13 2017-02-01 江南大学 一种抗氧化纳米铜导电墨水及其制备方法和印刷应用
CN111393159A (zh) * 2020-04-04 2020-07-10 南开大学 一种数码可控打印izo纳米线电极的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2011592A1 (en) * 2007-07-05 2009-01-07 Interuniversitair Microelektronica Centrum Photon induced formation of metal comprising elongated nanostructures
CN102787347A (zh) * 2012-09-04 2012-11-21 上海师范大学 一种超长铜纳米线和铜纳米线导电薄膜的制备方法
CN104064628A (zh) * 2014-07-01 2014-09-24 扬州大学 一种铜铟硒碲纳米线的制备方法
CN106366769A (zh) * 2016-09-13 2017-02-01 江南大学 一种抗氧化纳米铜导电墨水及其制备方法和印刷应用
CN111393159A (zh) * 2020-04-04 2020-07-10 南开大学 一种数码可控打印izo纳米线电极的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WENLONG XU 等: "Recent progress on electrohydrodynamic nanowire Printing", 《SCIENCE CHINA MATERIALS》 *

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