Способ лазерного осаждения наночастиц из растворов

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к производству материалов электронной техники и квантовой электроники, использующих технологию локализованного нанесения металлических слоев, либо наноструктур на поверхности различных типов для создания элементов и устройств. Технический результат - создание способа лазерного осаждения наночастиц из коллоидных растворов, получение одно-двухкомпонентных коллоидных растворов и наноструктурированных осаждений на различные подложки (диэлектрические, проводящие, керамические и т.д.) при помощи лазерного излучения. Способ лазерного осаждения наночастиц из растворов на подложку заключается в ее помещении в раствор или нанесении раствора на ее поверхность. При этом осаждение проводят из коллоидного раствора, состоящего из жидкой, вязкой фазы (глицерина) и металлических наночастиц (например, Ni, Сu, Ti) и/или их оксидов (NiO, CuO, ТiO₂), мощность лазерного излучения варьируют в диапазоне от пороговой мощности, составляющей 1-1,5 Вт, до 4 Вт, фокусируют лазерное излучение со стороны раствора на границу раздела подложка-раствор и сканируют излучением по вышеуказанной поверхности с различной скоростью. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к производству материалов электронной техники и квантовой электроники, использующих технологию локализованного нанесения металлических слоев, либо наноструктур на поверхности различных типов для создания элементов и устройств.

Известен способ изготовления изделий из оксидной керамики с повышенной теплопроводностью (Патент №2323912, МПК С04В 35/01, С04В 35/626, G21C 3/62). Изготовление изделий из оксидной керамики включает операции приготовления кислотного раствора, содержащего один или более катионов металла, в том числе делящегося, осаждения соли или гидроксида металла из раствора, термической обработки осадка, формования изделий и их спекания, причем на операции осаждения получают осадок, содержащий крупные частицы размером не менее 0,1 мкм и наночастицы размером не более 30 нм, доля которых составляет 0,05-2,0 мас.%. Гидроксид металла осаждают аммиаком в две стадии, причем рН на первой стадии ниже рН полного осаждения металла не менее чем на 0,5, а рН на второй стадии составляет 9,5-10,5. Соль в виде оксалата металла осаждают концентрированным раствором щавелевой кислоты с избытком от стехиометрии не менее 20%. Технический результат изобретения: возможность изготовления изделий с аномально высокой теплопроводностью, повышенной пластичностью и термостойкостью.

Недостатком является то, что необходимо приготовлять кислотный раствор, затем подвергать осадок термической обработке, только после таких операций происходит формирование изделий и их спекание. Такой подход приводит к различным циклам производства, что неудобно.

Известен способ нанесения покрытия ультратонким слоем на металлические изделия (Патент №2353702, МПК С23С 2/26, С23С 24/08, В82В 1/00). Покрытие представляет собой ультратонкую пленку толщиной от 10 до 100 нм. Способ включает осаждение ультратонкого слоя наночастиц оксида из раствора, содержащего наночастицы оксидов, в условиях регулируемого рН при температуре субстрата выше 120°С и суммарной продолжительности менее 5 секунд, предпочтительно менее 1 секунды, при этом в раствор вводят, по меньшей мере, одну химическую добавку, обладающую эффектом ограничения толщины наносимого слоя наночастиц оксида. Установка для нанесения покрытия содержит устройство для получения второго покрывающего слоя на первом покрывающем слое, полученном путем горячего погружения или путем распыления форсунками посредством применения указанного способа. Установка расположена после элементов, обеспечивающих операции формования и отвердевания первого покрывающего слоя, где указанный второй покрывающий слой наносят при температуре, по меньшей мере, на 100°С ниже температуры отвердевания первого покрывающего слоя. Способ позволяет наносить ультратонкий слой наночастиц оксида при более широком диапазоне температур полосы на входе в ванну и воспроизвести толщины покрытия при различной массе слоя.

Недостатками данного способа является то, что в субстрат необходимо вводить химические добавки для ограничения толщины наносимого слоя наночастиц и то, что предпочтительное время осаждения не должно превышать одну секунду для получения качественного покрытия с толщиной не более 100 нм.

Известен способ изготовления гетероперехода на основе слоистого полупроводника (Заявка на изобретение №95116975, МПК H01L 21/04). Способ включает механический прижим монокристаллической пластины или пленки слоистого полупроводника к подложке. Слоистый полупроводник предварительно облучают одиночным импульсом технологического лазера в месте предполагаемого расположения электрического контакта, на это место наносят металл с соответствующей работой выхода, отслаивают по плоскостям спайности монокристаллические пластины или пленки слоистого полупроводника, изготовленный гетеропереход выдерживают в течение 15-20 суток при комнатной температуре, при этом плотность энергии технологического лазера удовлетворяет условию Е=1,2Е_пор, где Е - плотность энергии лазерного импульса; Е_пор - плотность энергии лазера, необходимая для расплавления поверхности слоистого полупроводника.

Недостатками данного способа является то, что полупроводник необходимо облучать одиночным импульсом технологического лазера в месте предполагаемого расположения электрического контакта, а после этого наносить металл с соответствующей работой выхода. В итоге изготовленный гетеропереход выдерживают в течение 15-20 суток при комнатной температуре.

В качестве прототипа был выбран способ лазерного осаждения меди из раствора электролита на поверхность диэлектрика (Патент №2323553, МПК Н05K 3/00). Способ включает подготовку раствора электролита, содержащего 0,2 М KNa-тартрат (KNaC₄H₄O₆·4H₂O), 0,125 М NaOH и М НСОН (формальдегид), и промывку подложки, фокусирование лазера на границу подложка-электролит, отличающийся тем, что в раствор электролита дополнительно включен CuCl₂, раствор нагревают до температуры от 300 до 600°С, подложку размещают на поверхности электролита, при этом излучение лазера, мощность которого выбирают в диапазоне от пороговой мощности, составляющей 10-50 мВт, до 400 мВт, фокусируют на границу раздела подложка электролит со стороны подложки и однократно сканируют излучение по вышеуказанной поверхности со скоростью сканирования от 0,01 до 0,04 мм/с или при скорости сканирования от 0,06 до 0,1 мм/с сканируют излучение от 3 до 5 раз по одной и той же осажденной структуре. К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести то, что для осаждения меди на поверхности диэлектрика используют раствор электролита, а создание устойчивых электролитов для многих металлов является отдельной и временами достаточно сложной задачей, поэтому ограничивается класс осаждаемых материалов. Происходит химическая реакция восстановления металла из раствора, поэтому невозможно контролировать состав осажденного слоя, так как осаждаться может как чистый металл, так и его производные. Таким способом практически невозможно осадить двухкомпонентный слой из одного электролита.

Техническим результатом данного изобретения является создание способа лазерного осаждения наночастиц из коллоидных растворов, получение одно-двухкомпонентных коллоидный растворов и наноструктурированных осаждений на различные подложки (диэлектрические, проводящие, керамические и т.д.) при помощи лазерного излучения.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерного осаждения наночастиц из растворов на подложку, которая помещена в раствор или раствор нанесен на ее поверхность, осаждение проводят из коллоидного раствора, состоящего из жидкой, вязкой фазы (глицерина) и металлических наночастиц (например, Ni, Cu, Ti) и/или их оксидов (NiO, CuO, TiO₂), при этом мощность лазерного излучения варьируют в диапазоне от пороговой мощности, составляющей 1-1,5 Вт, до 4 Вт, фокусируют лазерное излучение со стороны раствора на границу раздела подложка-раствор и сканируют излучением по вышеуказанной поверхности со скоростью сканирования от 0,2 до 0,6 мм/с, или сканируют излучением от 2 до 5 раз по одной и той же осажденной структуре со скоростью сканирования от 0,08 до 4 мм/с. Кроме того, коллоидный раствор может состоять из жидкой, вязкой фазы (глицерина) и двухкомпонентной смеси наночастиц различных металлов (например, Ni, Cu, Ti) и/или их оксидов (NiO, CuO, TiO₂).

Коллоидный раствор изготавливают в вязкой жидкости, например глицерина, в которую добавляются наночастицы различных металлов (например, Ni, Cu, Ti) и/или их оксидов (NiO, CuO, TiO₂). Подложку для осаждения покрывают раствором или помещают в его объем. После этого на данную композицию воздействуют лазерным излучением, сфокусированным вблизи поверхности подложки на границе раздела коллоидный раствор - твердая поверхность подложки. В результате локального теплового воздействия изменяется вязкость глицерина в области воздействия, и наночастицы под действием силы тяжести оседают на подложку и спекаются при тепловом воздействии лазерного излучения. Осаждение происходит строго по траектории движения луча. Лазерное воздействие не приводит к разрушению поверхностного слоя подложки, и осажденный слой имеет хорошую адгезию к поверхности. Воздействие осуществляется импульсно-периодическим излучением с длительностью импульса 100-300 нс, с длиной волны 1,06 мкм, средней мощностью 1-4 Вт, что обеспечивает тепловой режим воздействия достаточный для выпадения наночастиц из раствора и спекания их на поверхности подложки. Материал подложки может варьироваться в широком диапазоне (стекла, кремний, керамика, металлы и т.д.), изменение материла подложки может приводить к изменению геометрических свойств осажденного слоя.

Изобретение поясняется представленными фиг.1-4: фиг.1 - схема воздействия; фиг.2 - фотография дорожки, созданная с помощью воздействия лазерного излучения на коллоидный раствор глицерина и наночастиц оксида меди; фиг.3 - фотография среза дорожки, созданная с помощью воздействия лазерного излучения на коллоидный раствор глицерина, наночастиц никеля и углеродных нанотрубок; фиг.4 - рентгеновский спектр фиг.3. Способ лазерного осаждения наночастиц из растворов был осуществлен по схеме, показанной на фиг.1, в которую входит 1 - волоконный лазер, 2 - раствор, 3 - подложка.

Заявляемый способ основан на проведенных исследованиях физико-химических процессов формирования наночастиц и наноструктур под действием лазерного излучения. В настоящем способе формирование наноструктурированных поверхностей проводится под действием лазерного излучения, а использование одно-многокомпонентных коллоидных растворов дает возможность создавать одно-многокомпонентные осажденные слои.

Особенность способа заключается в улучшении метода лазерного осаждения металлов из растворов. Применение коллоидных растворов позволяет отказаться от создания электролитов металлов, а также осаждать многокомпонентные слои.

1. Способ осаждения наночастиц из растворов на подложку, которая помещена в раствор, или раствор нанесен на ее поверхность, при помощи лазерного излучения, сфокусированного на границе подложка-раствор, отличающийся тем, что осаждение проводят из коллоидного раствора, состоящего из жидкой, вязкой фазы (глицерина) и металлических наночастиц (например, Ni, Сu, Ti) и/или их оксидов (NiO, CuO, TiO₂), при этом мощность лазерного излучения варьируют в диапазоне от пороговой мощности, составляющей 1-1,5 Вт, до 4 Вт, фокусируют лазерное излучение со стороны раствора на границу раздела подложка-раствор и сканируют излучением по вышеуказанной поверхности со скоростью сканирования от 0,2 до 0,6 мм/с или сканируют излучением от 2 до 5 раз по одной и той же осажденной структуре со скоростью сканирования от 0,08 до 4 мм/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коллоидный раствор состоит из глицерина и двухкомпонентной смеси наночастиц различных металлов и/или их оксидов.