RU2723341C1 - Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц - Google Patents
Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723341C1 RU2723341C1 RU2019145004A RU2019145004A RU2723341C1 RU 2723341 C1 RU2723341 C1 RU 2723341C1 RU 2019145004 A RU2019145004 A RU 2019145004A RU 2019145004 A RU2019145004 A RU 2019145004A RU 2723341 C1 RU2723341 C1 RU 2723341C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- aerosol
- substrate
- stream
- sintering
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/40—Radiation means
- B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
- B22F12/45—Two or more
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
- B22F10/322—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber of the gas flow, e.g. rate or direction
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/40—Radiation means
- B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к аддитивной 3D-технологии изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц. Способ включает получение потока аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа, нагрев аэрозоля в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера, транспортировку полученного потока аэрозоля к головке с соплом, подачу в указанное сопло потока аэрозоля и защитного газа, фокусировку потока аэрозоля наночастиц, осаждение наночастиц из сфокусированного потока аэрозоля на подложку и спекание наночастиц. Используют наночастицы, полученные из металлов, металлоподобных соединений и полупроводников. Нагрев аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера и спекание наночастиц на подложке проводят посредством по крайней мере одного источника лазерного излучения, длина волны которого соответствует возбуждению размерозависимого локализованного поверхностного плазмонного резонанса для модального значения спектра диаметров осаждаемых на подложку наночастиц. Обеспечивается уменьшение энергоемкости процесса и возможность применения термочувствительных подложек в пластиковой электронике. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к аддитивной 3D-технологии для производства преимущественно объемных микроразмерных структур из наночастиц, которые применяются в электронике, фотонике, медицинской, аэрокосмической технике и других областях.
Известен способ изготовления объемных структур из наночастиц с использованием наночернил, включающий получение потока аэрозоля с наночастицами, транспортирование потока к соплу головки, фокусировку и осаждение наночастиц из потока аэрозоля на подложку с последующим спеканием массивов осажденных наночастиц [1, 2].
Данные технические решения позволяют изготавливать объемные структуры из наночастиц. Однако при их применении возникают трудности с приготовлением наночернил, такие как подбор растворителей и стабилизаторов. При этом существуют особые требования к условиям их хранения и транспортировки.
В результате использования растворителей и стабилизаторов в наночернилах происходит загрязнение окружающей среды. После применения наночернил требуется удаление растворителей и стабилизаторов с полученных объемных структур из наночастиц. Относительно высокая стоимость наночернил приводит к удорожанию изготовления объемных структур из наночастиц. При использовании данного способа происходит засорение сопел крупными микрокаплями.
Известен способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, включающий получение потока аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа, нагрев аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера, транспортировку полученного потока аэрозоля с наночастицами к головке с соплом, подачу в указанное сопло потока аэрозоля с наночастицами и защитного газа, фокусировку потока аэрозоля наночастиц, осаждение наночастиц из сфокусированного потока аэрозоля на подложку и спекание наночастиц, при этом осаждение и спекание наночастиц на подложке проводят в атмосфере защитного газа, которую создают под соплом [3].
Данное техническое решение позволяет изготавливать объемные структуры из наночастиц. Однако при применении указанного технического решения возникают трудности в изменении температуры при нагреве аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа для обеспечения получения наночастиц сферической формы требуемого размера, так как применяемые нагревательные элементы являются инерционными и требуется сравнительно большой промежуток времени, например, для уменьшения температуры нагрева. Кроме того, для спекания осажденных наночастиц на положке требуется применение мощных лазеров и при этом выделяется большое количество энергии. Это затрудняет использование сравнительно дешевых термочувствительных силиконовых подложек при изготовлении пластиковой электроники.
Результат, для достижения которого направлено данное техническое решение, заключается в уменьшении энергоемкости процесса при одновременном удешевлении изготовления изделий за счет возможности применения термочувствительных подложек в пластиковой электронике.
Указанный результат достигается за счет того, что в способе аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, включающем получение потока аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа, нагрев аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера, транспортировку полученного потока аэрозоля с наночастицами к головке с соплом, подачу в указанное сопло потока аэрозоля с наночастицами и защитного газа, фокусировку потока аэрозоля наночастиц, осаждение наночастиц из сфокусированного потока аэрозоля на подложку и спекание наночастиц, при этом осаждение и спекание наночастиц на подложке проводят в атмосфере защитного газа, которую создают под соплом, для получения наночастиц применяют металлы, металлоподобные соединения и полупроводники, а для процесса получения наночастиц сферической формы требуемого размера при их нагреве в потоке транспортного газа и их спекания применяют, по крайней мере, один источник лазерного излучения, длина волны которого соответствуют возбуждению размерозависимого локализованного поверхностного плазмонного резонанса для модального значения спектра диаметров осаждаемых на подложку наночастиц. При этом применяют либо один источник лазерного излучения для попеременного нагрева аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа для обеспечения получения наночастиц сферической формы требуемого размера и их спекания на подложке, либо разные источники лазерного излучения для нагрева аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа и их спекания на подложке. При осаждении наночастиц на подложку поддерживают температуру наночастиц меньше температуры их спекания.
Пример выполнения заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показан процесс изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц с применением одного источника лазерного излучения для попеременного процесса оптимизации и спекания осажденных на подвижную подложку наночастиц, на фиг. 2 - то же, но с применением двух источников лазерного излучения, одного для обеспечения получения наночастиц сферической формы требуемого размера при их осаждении на подвижную положку, другого - для спекания наночастиц на подложке, на фиг. 3 - схема, поясняющая возбуждение размерозависимого локализованного поверхностного плазмонного резонанса для модального значения спектра диаметров осаждаемых на подложку наночастиц, на фиг. 4 - график, поясняющий выбор длины волны источника лазерного излучения в зависимости от требуемого диаметра наночастиц серебра.
Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц включает спекание наночастиц на подложке 5, получение в блоке 1 потока аэрозоля с наночастицами в импульсно-периодическом газовом разряде, сообщенного с источником 2 транспортного газа, в потоке транспортного газа, нагрев источником лазерного излучения 6 через вход 9, сообщенного с блоком 1, в блоке 8 оптимизации аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера, транспортировку полученного потока через выход 10 блока 8 оптимизации аэрозоля с наночастицами к головке 3 с соплом 4 для фокусировки его на подложке 5, подают в указанное сопло поток аэрозоля с наночастицами и одновременно защитный газ с обеспечением фокусировки потока аэрозоля наночастиц на подложке и осаждают наночастицы из сфокусированного потока аэрозоля на подложку. Осаждение и спекание наночастиц на подложке ведут в атмосфере 13 защитного газа, которую создают под соплом 4 источником 11 защитного газа. Спекание осажденных наночастиц 7 ведут источником лазерного излучения 6. Оптическая ось 12 источника лазерного излучения 6 размещается соосно с соплом 4. В случае применением двух источников лазерного излучения (фиг. 2), один источник лазерного излучения 6 используют для обеспечения получения наночастиц сферической формы требуемого размера при их осаждении на подвижную положку, другой источник лазерного излучения 14 - для спекания наночастиц на подложке.
Процесс получения наночастиц сферической формы требуемого размера регулируют мощностью лазера и временем его воздействия на наночастицы.
Процесс спекания ведут в режиме возбуждения размерозависимого локализованного поверхностного плазмонного резонанса для модального значения спектра диаметров, осаждаемых на подложку наночастиц.
Локализованный поверхностный плазмон проявляется в виде усиления электромагнитного поля 15 и связанных с ним колебаний электронной плотности 16 на проводящих наночастицах 17 с размерами меньше длины волны (см. фиг. 3).
Пример осуществления способа.
Для аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из серебра был выбран диаметр наночастиц 85 нм. По данным, приведенным в литературных источниках [4, 5] и проведенных экспериментов, был построен график (фиг. 4), из которого следует, что наночастицы в диапазоне диаметров от 85 до 130 нм эффективно поглощают излучение с длиной волны 527 нм с максимум поглощения при диаметре наночастиц 115 нм.
Для получения потока аэрозоля с наночастицами в потоке аргона (Ar) было использовано серебро (Ag) высокой чистоты (99,99%). При этом был произведен нагрев аэрозоля с серебряными наночастицами в потоке аргона до температуры 400°С для получения наночастиц сферической формы с требуемым для изготовления микроразмерных структур медианным размером 115 нм, транспортируют полученный поток аэрозоля с наночастицами к соплу головки с диаметром выходного отверстия 100 мкм и производят подачу в указанное сопло потока аэрозоля с наночастицами с расходом 12 л/ч, которое соответствует скорости потока транспортного газа 3 мм/с, и защитного газа с расходом 12 л/ч, осуществляют фокусирование потока аэрозоля наночастиц на полимерной термочувствительной подложке, выдерживая расстоянии между соплом и подложкой 0,5 мм, и осуществляют осаждение наночастиц из сфокусированного потока аэрозоля на подложку с последующим спеканием наночастиц.
При этом осаждение и спекание наночастиц на подложке проводили в атмосфере защитного газа аргона высокой чистоты (99,99%), которую создают под соплом, при этом нагрев аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа для обеспечения получения наночастиц сферической формы требуемого размера и спекание наночастиц на подложке вели лучом лазера с длиной волны 527 нм и с выходной мощностью лазера 1 Вт, ось которого совмещают с осью сфокусированного потока аэрозоля наночастиц.
Таким образом данное техническое решение позволит:
Источники информации
1. Патент US №10068863, МПК - B05D 5/12, 09.2018
2. Патент US №9114409, МПК - B05B 7/00, 2015
3. Патент RU №2704358, МПК - B22F 3/105, 2018
4. Hlaing М. et al. Absorption and scattering cross-section extinction values of silver nanoparticles //Optical Materials. - 2016. - T. 58. - C. 439-444
5. Bilankohi S. M. Optical scattering and absorption characteristics of silver and silica/silver core/shell nanoparticles //Oriental Journal of Chemistry. - 2015. - T. 31. - №. 4. - C. 2259-2263.
Claims (4)
1. Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, включающий получение потока аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа, нагрев аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера, транспортировку полученного потока аэрозоля с наночастицами к головке с соплом, подачу в указанное сопло потока аэрозоля с наночастицами и защитного газа, фокусировку потока аэрозоля наночастиц, осаждение наночастиц из сфокусированного потока аэрозоля на подложку и спекание наночастиц, при этом осаждение и спекание наночастиц на подложке проводят в атмосфере защитного газа, которую создают под соплом, отличающийся тем, что используют наночастицы, полученные из металлов, металлоподобных соединений и полупроводников, при этом нагрев аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера и спекание наночастиц на подложке проводят посредством по крайней мере одного источника лазерного излучения, длина волны которого соответствует возбуждению размерозависимого локализованного поверхностного плазмонного резонанса для модального значения спектра диаметров осаждаемых на подложку наночастиц.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют один источник лазерного излучения для попеременного нагрева аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера и их спекания на подложке.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют разные источники лазерного излучения для нагрева аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера и их спекания на подложке.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при осаждении наночастиц на подложку поддерживают температуру наночастиц меньшей температуры спекания.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019145004A RU2723341C1 (ru) | 2019-12-30 | 2019-12-30 | Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019145004A RU2723341C1 (ru) | 2019-12-30 | 2019-12-30 | Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2723341C1 true RU2723341C1 (ru) | 2020-06-09 |
Family
ID=71067426
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019145004A RU2723341C1 (ru) | 2019-12-30 | 2019-12-30 | Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2723341C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112179893A (zh) * | 2020-09-29 | 2021-01-05 | 华中科技大学 | 基于速度影像的纳米颗粒表面等离激元场分布探测方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6149072A (en) * | 1998-04-23 | 2000-11-21 | Arizona State University | Droplet selection systems and methods for freeform fabrication of three-dimensional objects |
| RU2627527C2 (ru) * | 2015-09-25 | 2017-08-08 | Анатолий Евгеньевич Волков | Способ и устройство аддитивного изготовления деталей методом прямого осаждения материала, управляемого в электромагнитном поле |
| US10022789B2 (en) * | 2011-06-30 | 2018-07-17 | Persimmon Technologies Corporation | System and method for making a structured magnetic material with integrated particle insulation |
| RU2704358C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-10-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц и устройство для его осуществления |
-
2019
- 2019-12-30 RU RU2019145004A patent/RU2723341C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6149072A (en) * | 1998-04-23 | 2000-11-21 | Arizona State University | Droplet selection systems and methods for freeform fabrication of three-dimensional objects |
| US10022789B2 (en) * | 2011-06-30 | 2018-07-17 | Persimmon Technologies Corporation | System and method for making a structured magnetic material with integrated particle insulation |
| RU2627527C2 (ru) * | 2015-09-25 | 2017-08-08 | Анатолий Евгеньевич Волков | Способ и устройство аддитивного изготовления деталей методом прямого осаждения материала, управляемого в электромагнитном поле |
| RU2704358C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-10-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц и устройство для его осуществления |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112179893A (zh) * | 2020-09-29 | 2021-01-05 | 华中科技大学 | 基于速度影像的纳米颗粒表面等离激元场分布探测方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10610934B2 (en) | Method and apparatus for production of uniformly sized nanoparticles | |
| JP7413424B2 (ja) | 可視ラマンレーザーを用いた材料加工のための用途、方法、及びシステム | |
| Darwish et al. | Synthesis of nano-cadmium sulfide by pulsed laser ablation in liquid environment | |
| US9919363B2 (en) | System and method for making non-spherical nanoparticles and nanoparticle compositions made thereby | |
| JP2015218395A (ja) | ３ｄ印刷のための安定化された金属ナノ粒子 | |
| RU2723341C1 (ru) | Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц | |
| JP2017043805A (ja) | ３次元形成装置、３次元形成方法および３次元形成物 | |
| Oh et al. | Laser-induced dewetting of metal thin films for template-free plasmonic color printing | |
| Liu et al. | 3D laser nanoprinting of functional materials | |
| CN105215358A (zh) | 铝材的送粉式激光增材制造系统及方法 | |
| Ye et al. | Photochemically grown silver nanodecahedra with precise tuning of plasmonic resonance | |
| RU2704358C1 (ru) | Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц и устройство для его осуществления | |
| Wang et al. | Recent advances and challenges in ultrafast photonics enabled by metal nanomaterials | |
| Doñate-Buendía et al. | Pulsed laser ablation in liquids for the production of gold nanoparticles and carbon quantum dots: From plasmonic to fluorescence and cell labelling | |
| Jiang et al. | Plasmon-enhanced ultraviolet photoluminescence from the hybrid plasmonic Fabry–Perot microcavity of Ag/ZnO microwires | |
| Zhang et al. | Gold nanocups with multimodal plasmon resonance for quantum-dot random lasing | |
| Wu et al. | Engineering the inter-island plasmonic coupling in homometallic Au-Au n core–satellite structures | |
| RU2382734C2 (ru) | Способ получения высокочистых нанопорошков и устройство для его осуществления | |
| Prasad et al. | Recent progress in the development of neodymium-doped ceramic yttria | |
| EP2626960A2 (en) | Active laser medium including nanoparticles, laser apparatus including the active laser medium, and method of manufacturing nanoparticles | |
| Agboola et al. | Advanced materials for laser surface cladding: processing, manufacturing, challenges and future prospects | |
| RU2265076C1 (ru) | Способ получения наночастиц | |
| RU2782748C1 (ru) | Способ сфероидизации металлических микропорошков СВЧ излучением | |
| Fojtik | Pioneering pulsed laser synthesis of colloids | |
| Yoo et al. | Laser-driven jetting of nanoscale non-conducting liquid droplets via hollow optical fiber |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20201110 |