Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц и устройство для его осуществления

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 и устройство 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 данных технических решений 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 [1].

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 [2, 3].

Известно также устройство для осуществления данного способа, включающее блок получения потока аэрозоля с наночастицами, сообщенный с источником транспортного газа, соединенная с блоком получения потока аэрозоля головка с соплом, подложку и устройство спекания на подложке массивов осажденных наночастиц [2, 3].

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.

Результат, для достижения которого направлено данное техническое решение, заключается в возможности изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц требуемого качества без использования наночернил при одновременном улучшении санитарно-гигиенические условий производства.

Указанный результат достигается за счет того, что в способе изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, включающем получение потока аэрозоля с наночастицами, транспортирование потока к соплу головки, фокусировку и осаждение наночастиц из потока аэрозоля на перемещаемую подложку с последующим спеканием массива осажденных наночастиц, получение потока аэрозоля с наночастицами осуществляют в импульсно-периодическом газовом разряде в потоке транспортного газа, перед транспортировкой потока к соплу головки производят оптимизацию размера, формы и химического состава наночастиц посредством нагревания их в потоке транспортного газа, путем подачи в головку дополнительного потока защитного газа под соплом создают защитную газовую атмосферу, в которой осуществляют фокусировку, осаждение и спекание массива осажденных наночастиц. При оптимизации размера, формы и химического состава наночастиц дополнительно может подаваться реактивный газ. Спекание массива осажденных наночастиц могут производить сфокусированным лучом лазера, причем фокус луча располагают на расстоянии L от оси сопла, принимаемым в соответствии с выражением L=TV, где Т - время формирования массива осажденных наночастиц, V - скорость относительного перемещения подложки.

Указанный результат достигается за счет того, что в устройстве для изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, включающем блок получения потока аэрозоля с наночастицами, сообщенный с источником транспортного газа, соединенную с блоком получения потока аэрозоля головку с соплом, подложку, и устройство спекания на подложке массива осажденных наночастиц, оно снабжено содержащим нагревательный элемент блоком оптимизации, вход которого сообщен с блоком получения потока аэрозоля с наночастицами, а выход - с головкой и соплом. Второй вход блока оптимизации может быть сообщен с источником реактивного газа. Устройство спекания выполнено может быть выполнено в виде лазерно-оптического устройства. Устройство для изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц может быть дополнительно также снабжено координатным столом, с которым скреплена подложка, а оптическая ось лазерно-оптического устройства размещена в плоскости, проходящей через ось сопла.

Пример выполнения заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 приведено заявленное устройство, на фиг. 3 представлен график распределения концентрации частиц в зависимости от их диаметра до (а) и после (б) блока оптимизации, на фиг. 4 - снимок наночастиц серебра с просвечивающего электронного микроскопа, на фиг. 5 - оптическое изображение массивов осажденных наночастиц серебра на стеклянной подложке, на фиг. 6 - растровое электронно-микроскопическое изображение профиля объемной микроразмерной структуры из спеченного массива осажденных наночастиц серебра на стеклянной подложке.

Устройство для изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, включает блок 1 получения потока аэрозоля с наночастицами, сообщенный с источником 2 транспортного газа, соединенную с блоком получения потока аэрозоля головку 3 с соплом 4, подложку 5, и лазерно-оптическое устройство 6 для спекания на подложке массива осажденных наночастиц 7.

Устройство снабжено блоком 8 оптимизации, содержащим нагревательный элемент 9. Вход 10 блока 8 оптимизации сообщен с блоком 1 получения потока аэрозоля с наночастицами, а его выход 11 - с головкой 3 и соплом 4. Второй вход 12 блока оптимизации сообщен с источником 13 реактивного газа. Головка 3 сообщена с источником 14 защитного газа.

Устройство снабжено также координатным столом 15, с которым скреплена подложка 5. Оптическая ось 16 лазерно-оптического устройства 6 размещена в плоскости, проходящей через ось 17 сопла. Головка 3 сообщена с источником 14 защитного газа.

Способ изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц заключается в следующем.

Транспортный газ из источника 2 подается в блок 1 получения потока аэрозоля с наночастицами, где в импульсно-периодическом газовом разряде осуществляют получение аэрозоля с наночастицами. Этот процесс происходит за счет электрической эрозии материала электродов.

Полученный аэрозоль с наночастицами поступает в блок 8 оптимизации, в котором выполняется оптимизация размера, формы и химического состава наночастиц. Оптимизация размера и формы наночастиц происходит за счет их нагревания в потоке транспортного газа, а оптимизацию химического состава наночастиц, в случае необходимости, производят за счет применения реактивного газа, который подбирают в соответствии с материалом наночастиц.

Аэрозоль с наночастицами после блока 8 оптимизации подают к головке 3 с соплом 4, в которую, одновременно, подают из источника 14 защитный газ, за счет которого происходит фокусировка наночастиц из потока аэрозоля на участке 18 сопла 4, и на его выходе формируется сфокусированный пучок 19 наночастиц, который осаждается на подвижной относительно сопла 4 подложке 5.

В данном примере подложку 5 закрепляют на координатном столе 15, однако головка 3 с соплом 4 может перемещаться относительно подложки.

Спекание массива 7 осажденных наночастиц на подложке 5 выполняют сфокусированным лучом 20 лазерно-оптического устройства 6 в газовой защитной атмосфере 21, при этом фокус 22 сфокусированного луча 20 располагают на расстоянии L от оси 17 сопла, принимаемым в соответствии с выражением L=TV, где Т - время формирования массива осажденных наночастиц, V - скорость относительного перемещения подложки.

Пример выполнения способа.

В блоке 1 получения потока аэрозоля с наночастицами в качестве материала было использовано серебро. В импульсно-периодическом газовом разряде в потоке транспортного газа были получены наночастицы, которые были оптимизированы в блоке 8 оптимизации.

На Фиг. 3 представлен график распределения концентрации частиц в зависимости от их диаметра до (а) и после (б) блока оптимизации. График получен в результате измерений с помощью аэрозольного спектрометра. Аэрозольные наночастицы серебра получены в импульсно-периодическом газовом разряде в потоке транспортного газа в результате электрической эрозии серебряных электродов.

Из графика видно, что после прохождения блока оптимизации, размер и концентрация частиц уменьшается, так как полученные неоптимизированные наночастицы серебра в форме агломератов при спекании в блоке оптимизации становятся более компактными и сферическими, и их количество сокращается. Этот вывод подтверждается данными, приведенными на фиг. 4, где на снимке наночастиц серебра с просвечивающего электронного микроскопа видно, что с увеличением температуры оптимизации от 25 до 750°С, полученные неоптимизированные наночастицы серебра в форме агломератов, по мере увеличения температуры блока оптимизации трансформируются в сферические наночастицы, а их количество уменьшается.

Сферические наночастицы в отличие от агломератов, имеющих неправильную форму, эффективнее фокусируются в головке с соплом и позволяют получать более мелкомасштабные массивы осажденных наночастиц на подложке.

Это подтверждается, представленными на фиг. 5, оптическими изображениями массивов осажденных наночастиц серебра на стеклянной подложке, полученные без (а) и с (б) использованием блока оптимизации. Как видно на фиг. 5, использование блока оптимизации позволяет получать более мелкомасштабные массивы осажденных наночастиц с однородными по форме границами (фиг. 5б) в отличие от массивов осажденных наночастиц, полученных без блока оптимизации (фиг. 5а).

На Фиг. 6, в качестве примера, представлено растровое электронно-микроскопическое изображение профиля объемной микроразмерной структуры из спеченного массива осажденных наночастиц серебра на стеклянной подложке, полученной с помощью фокусировки и осаждения наночастиц из потока аэрозоля на перемещаемую подложку. Объемная микроразмерная структура из наночастиц серебра имеет колоколообразную форму поперечного профиля, ширина основания и высота профиля которой управляется параметрами процесса фокусировки и осаждения наночастиц из потока аэрозоля.

При применении данных технических решений по сравнению со способом изготовления объемных структур из наночастиц, где применяют наночернила, повышается стойкость к засорению сопла, достигаются однородные и более мелкомасштабные объемные структуры.

Таким образом данное техническое решение позволит:

- улучшить санитарно-гигиенические условия при создании изделий из-за отсутствия растворителей и стабилизаторов;

- изготавливать объемные микроструктуры из наночастиц надлежащего качества с высокой химической чистотой и обладающие необходимыми свойствами;

- удешевить изготовление объемных микроразмерных структур из наночастиц.

Источники информации

1. Патент US №10022789, МПК - B22D 23/00, 07.2018

2. Патент US №10068863, МПК-B05D 5/12, 09.2018

3. Патент US №9114409, МПК - В05В 7/00, 2015