论文部分内容阅读
快速精确地制备多材料微纳图案,在功能器件研究领域具有重要的应用价值。传统的光刻技术制备微纳图案不仅高耗能、高污染,其不可避免的曝光过程进一步限制了材料的选择范围。液体印刷法能够方便地实现图案直接制备,然而,传统的印刷方法往往由于流动液体难以操控造成印刷图案精度较低。本论文从液体印刷多种功能性纳米材料出发,以印刷过程中液体的精细操控为核心,重点研究了印刷液体与外部气体、印刷基材以及印刷图案所形成的液气、液固界面相互作用,发展了多材料的微纳图案的印刷制备方法,进而制备了高精度功能器件,并对其在可穿戴器件、柔性电子、光波导和微型传感器等应用进行了探索。本论文开展的主要研究工作如下: 1.气液界面操控制备微纳米导电电路。通过调控印刷过程中气液界面的电荷,为印刷制备高精度电路提供了新的策略。制备了含有阳离子型银前驱体与阴离子型表面活性剂的印刷液体,利用具有规则结构的硅柱微模板,使微模板、印刷液体与印刷基材形成三明治结构。随着液体的挥发,银离子聚集到气液界面,被还原后沿气液界面形成连续的银单质。在模板与印刷基材的共同调控下,还原的银纳米颗粒自发收缩成高精度的一维线性结构,最高精度达到90nm。在500nm线宽下,导线电阻率为7.1×10-6Ω·m,可成功导通发光二极管,显示了良好的导电性能。同时,这种避免高温烧结的制备方法使其在可穿戴器件和柔性传感器等领域有重要应用前景。 2.固液界面调控制备高精度的点线阵列。通过系统研究印刷模板形貌与溶剂表面张力及沸点对印刷图案的影响,提供了一种普适的有序点、线阵列的印刷制备方法。柱状微模板能够有效调控液膜的瑞利不稳定性使液膜均匀断裂。液膜沿着微模板柱状结构顶端收缩,形成模板的精确微点阵列。设计微墙阵列模板以抑制瑞利不稳定,微墙结构对液体的粘附作用使得气液固三相接触线收缩到其顶端,不断收缩的三相接触线驱动印刷液体中的功能材料在限域空间沉积。液体挥发后,在基材上形成了间距和宽度可控的一维精细图案。线间距最小约15μm,线分辨率可到单颗粒精度。可印刷材料包括高分子、金属纳米颗粒、胶体颗粒及量子点。进而通过硅烷化修饰使微墙形成表面能差异结构,液膜在疏水墙两侧去浸润,线间距可由15μm降至4μm。这种精确制备微米点、线结构的方法可用于印刷新型光电器件。 3.固液界面调控制备精细异质微纳结构。选取互不相溶的有机相和水相印刷液体,制备了侧向连接的点线异质结构,为制备功能器件提供了新的策略。首先利用柱状微模板调控瑞利不稳定性制备出微米点状阵列,再引入水相印刷液体,加入表面活性剂以有效抑制瑞利失稳。液体挥发后,形成侧向连接的点线微纳结构。控制点的高度可以形成三种不同的点线界面连接结构（线穿过点、线覆盖点和线被点隔断）。印刷了两种量子点液体制备了发光系统,形成的光波导微结构能够通过光致发光呈现双色荧光图案。由聚苯胺制备的活性位点和银纳米颗粒制备的导线作为传感器,对1％的氨气的响应时间达到0.1秒。