Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц
METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF VOLUMETRIC MICROSCALE NANOPARTICLE STRUCTURES

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:
уменьшить энергоемкость процесса
удешевить изготовления изделий за счет возможности применения силиконовых подложек в пластиковой электронике.
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.