Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц
METHOD OF PRODUCING VOLUMETRIC MICRO-DIMENSIONAL 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 для изготовления объемных структур путем последовательного осаждения слоев из частиц магнитного материала с помощью нагревательного устройства, устройства осаждения, опоры и маски, через которую осуществляется осаждение частиц. Недостатками данного технического решения является то, что в нем требуется использование специальных масок для осаждения частиц, что приводит к дополнительным расходам на их изготовление и потерям частиц на поверхности маски [3].
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, фокусирование потока аэрозоля наночастиц на подложке и осаждение наночастиц из сфокусированного потока аэрозоля на подложку и спекание наночастиц, при этом осаждение и спекание наночастиц на подложке ведут в атмосфере защитного газа, которую создают под соплом [4].
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. Также требуются два источника нагрева - для спекания наночастиц и для нагрева аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа.
Результат, для достижения которого направлено данное техническое решение, заключается в возможности более гибкого изменения параметров процесса при одновременном уменьшении количества применяемого оборудования для осуществления способа.
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, фокусирование потока аэрозоля наночастиц на подложке и осаждение наночастиц из сфокусированного потока аэрозоля на подложку и спекание наночастиц, при этом осаждение и спекание наночастиц на подложке ведут в атмосфере защитного газа, 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 ведут лазерным лучом, ось которого совмещают с осью сфокусированного потока аэрозоля наночастиц, а процесс получения наночастиц сферической формы требуемого размера регулируют скоростью потока транспортного газа и мощностью лазера так, что увеличение размера наночастиц производится либо с уменьшением скорости потока транспортного газа при фиксированной мощности, либо с увеличением мощности лазера при фиксированной скорости потока транспортного газа.
Пример применения способа использует получение потока аэрозоля с серебряными (Ag) наночастицами в потоке аргона (Ar) высокой чистоты (99,99%), нагрев аэрозоля с серебряными наночастицами в потоке аргона до температуры 500°С с обеспечением получения наночастиц сферической формы с размером 50 нм в среднем, транспортировку полученного потока аэрозоля с наночастицами к головке с соплом с диаметром выходного отверстия 100 мкм, подачу в указанное сопло потока аэрозоля с наночастицами с расходом 12 л/ч, соответствующего скорости потока транспортного газа 3 мм/с, и защитного газа с расходом 12 л/ч, фокусирование потока аэрозоля наночастиц на подложке полированного кремния при расстоянии между соплом и подложкой 0,5 мм и осаждение наночастиц из сфокусированного потока аэрозоля на подложку и спекание наночастиц, при этом осаждение и спекание наночастиц на подложке ведут 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 ведут лучом лазера с длиной волны 527 нм и с выходной мощностью лазера 1 Вт, ось которого совмещают с осью сфокусированного потока аэрозоля наночастиц.
Пример выполнения заявляемого технического решения поясняется чертежом.
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 лазерно-оптическим устройством 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 лазерно-оптическим устройством 6. Оптическая ось 12 лазерно-оптического устройства 6 размещается соосно с соплом 4.
Процесс получения наночастиц сферической формы требуемого размера регулируют скоростью потока транспортного газа и мощностью лазера.
Таким образом, данное техническое решение позволит:
- повысить гибкость и эффективность управления процессом;
- упростить применяемое оборудование для осуществления способа за счет использования одного лазера для нагрева аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа для обеспечения получения наночастиц сферической формы требуемого размера и спекания наночастиц на подложке.
Источники информации
1. Патент US №10068863, МПК - B05D 5/12, 09.2018.
2. Патент US №9114409, МПК - В05В 7/00, 2015.
3. Патент US №10022789, МПК - B22D 23/00, 07.2018.
4. Патент RU №2704358, МПК - B22F 3/105, 2018.