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

Группа изобретений относится к аддитивному изготовлению объемных микроразмерных структур из наночастиц путем спекания наночастиц на подложке. Получают поток аэрозоля с наночастицами в импульсно-периодическом газовом разряде в потоке транспортного газа, затем производят нагрев аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера, транспортируют полученный поток аэрозоля с наночастицами к головке с соплом для фокусировки его на подложке, 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 защитного газа, которую создают под соплом. Предложено устройство для осуществления упомянутого выше способа. Обеспечивается изготовление качественных объемных микроразмерных структур при улучшении санитарно-гигиенических условий производства. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 пр.

 

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

1. Способ аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, включающий спекание наночастиц на подложке, отличающийся тем, что получают поток аэрозоля с наночастицами в импульсно-периодическом газовом разряде в потоке транспортного газа, затем производят нагрев аэрозоля с наночастицами в потоке транспортного газа с обеспечением получения наночастиц сферической формы требуемого размера, транспортируют полученный поток аэрозоля с наночастицами к головке с соплом для фокусировки его на подложке, 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, при этом осаждение и спекание наночастиц на подложке ведут в атмосфере защитного газа, которую создают под соплом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно производят оптимизацию химического состава наночастиц посредством подачи реактивного газа.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спекание осажденных наночастиц на подложке производят сфокусированным лучом лазера.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что фокус сфокусированного луча лазера располагают на расстоянии L от оси сопла, причем L=TV, где Т - время формирования массива осажденных наночастиц, V - скорость относительного перемещения подложки.

5. Устройство для аддитивного изготовления объемных микроразмерных структур из наночастиц, содержащее подложку и устройство для спекания на подложке осажденных наночастиц, отличающееся тем, что оно содержит блок получения в импульсно-периодическом газовом разряде потока аэрозоля с наночастицами, сообщенный с источником транспортного газа, головку с соплом для фокусировки потока аэрозоля с наночастицами на подложке, соединенным с источником защитного газа, и блок оптимизации наночастиц по размеру и форме с нагревательным элементом, вход которого сообщен с блоком получения потока аэрозоля с наночастицами, а выход - с соплом головки для фокусировки потока аэрозоля с наночастицами на подложке, при этом подложка, устройство спекания на подложке осажденных наночастиц и сопло головки для фокусировки потока аэрозоля с наночастицами на подложке размещены с возможностью осаждения и спекания наночастиц на подложке в атмосфере защитного газа.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что блок оптимизации выполнен со вторым входом, сообщенным с источником газа.

7. Устройство п. 5, отличающееся тем, что устройство спекания на подложке осажденных наночастиц выполнено в виде лазерно-оптического устройства.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что оно снабжено координатным столом, с которым скреплена подложка, а оптическая ось лазерно-оптического устройства размещена в плоскости, проходящей через ось сопла.