[发明专利]纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速成型方法，尤其是图案化金属纳米材料器件的快速成型方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，金、银纳米颗粒及含有金、银纳米颗粒的组装体系，因其具有特殊的优异性能和广泛的应用前景而备受人们青睐。金、银纳米颗粒本身就具有如体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，同时胶体金和银纳米颗粒还具有一些独特的性能，如良好的生物活性和生物相容性使得金、银纳米颗粒可被应用于生物标识；金和银均是典型的拉曼效应增强剂，通过金或银纳米颗粒与检测分子之间的物理或化学作用，可使检测分子的拉曼散射信号得到增强，达到104～107倍。金、银纳米颗粒组装体系更是当前的研究热点，常被用于设计和制备具有优异的光学和电学性能的纳米设备。

目前，金、银纳米颗粒的制备主要有两种方法：物理法和化学法，其中物理法是通过机械粉碎、超声波粉碎等物理方法将块状的金或银材料细分成金或银纳米颗粒；化学法是以金的化合物为原料，利用还原反应生成纳米微粒，在形成金纳米颗粒时控制粒子的生长，使其维持纳米尺度。目前，这些方法已发展成熟。但存在的问题是原材料为贵金属，价格昂贵，采用这些方法需要大量的原料，容易引起浪费；同时这些方法不利于同纳米设备的设计和制备工艺结合。

由于微滴喷射技术可用于大规模、低成本和柔性生产，因此得到了人们的极大关注。在许多应用领域中开始尝试将微滴喷射当作一种制造手段，如显示器制造业。因为它可以大大减小制造成本，不需要光学系统和光刻掩模板，简化了制造工艺；其次，微滴喷射适合在柔性衬底上进行材料沉积，如纸或塑料；另外，微滴喷射可以处理各种材料，包括可溶溶液、悬浮液和溶胶凝胶，如陶瓷材料、有机聚合物、金属纳米颗粒和生物材料。由于微滴喷射是数字驱动直接生产，可由计算机辅助设计直接制造出器件图形，实现快速成型，采用按需微滴喷射沉积方法可以减少材料浪费。但是，目前还没有出现通过微滴喷射技术来原位合成制造纳米金、银技术的方法。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法，利用微滴喷射技术来制备金、银纳米颗粒，可以实现金、银纳米颗粒的原位合成和图案化，显著缩短现有技术中金、银纳米颗粒制备周期，图案化的纳米金属材料粒度均匀，能与MEMS工艺兼容，制备简单，成本低。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种纳米金属材料沉积制备图案化器件的快速成型方法，包括如下步骤：

1）目标金属材料的前驱体溶液制备：以该目标金属化合物为溶质，以去离子水为溶剂，以溶质和溶剂的质量比为1：（100～1000）的比例制备反应原料溶液，形成目标金属材料的前驱体溶液；目标金属为金或银；

2）还原剂溶液制备：以还原剂为溶质，也以去离子水为溶剂，以溶质和溶剂的质量比为1：（100～500）的比例制备还原剂溶液；

3）反应物过滤：用过滤器过滤在上述步骤1）中制备的目标金属材料的前驱体溶液，得到滤液a，同时还用过滤器过滤在上述步骤2）中制备的还原剂溶液，得到滤液b，过滤器的过滤孔径小于0.5 μm；

4）喷射墨水加注：将在上述步骤3）中制备的滤液a和滤液b分别作为墨水a和墨水b，并分别注入微滴喷射系统不同的贮液器中；

5）微滴喷射原位合成制备金属材料的图案化器件：将打印衬底材料加热到10℃～80℃，并且保持打印衬底材料的温度不变，使打印机喷嘴与打印衬底材料表面的距离保持为0.1mm～1mm，通过控制在上述步骤4）中的微滴喷射系统，首先使墨水a通过微滴喷射系统的打印喷嘴喷射并沉积在打印衬底材料的指定位置上，然后再在衬底上的墨水a的墨迹上打印墨水b，或者首先使墨水b沉积在打印衬底材料表面的指定位置上，然后再在衬底上的墨水b的墨迹上打印墨水a，墨水a和墨水b的喷射量比例与其二者中含有的反应物化学反应比例相适应，墨水a和墨水b进行化学反应，析出目标金属材料的纳米颗粒，即形成图案化的纳米金属材料器件；优选将打印衬底材料加热到60℃，且保持打印衬底材料的温度不变，可形成；打印衬底材料优选为硅片材料、玻璃、聚合物或金属，墨水a和墨水b皆不与衬底材料发生化学反应；本发明尤其适用于纳米金属材料的薄膜器件或点阵器件的制备。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明方法实现了利用微滴喷射技术来制备金、银纳米颗粒，并且这种方法可以实现金、银纳米颗粒的原位合成和图案化，与MEMS工艺兼容，制备工艺简单，成本低；