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寧波材料所在彎液面限域電化學直寫機制研究中取得進展

時間:2018-05-02來源: 瀏覽次數:3930次
高質量金屬微納米線陣列在微執行器、微傳感器以及透明導電方面有著重要應用,而現有微納加工技術如光刻、激光誘導沉積、蘸筆納米直寫技術等在金屬微納結構復雜性和物理性能等方面還存在很大的不足。中國科學院寧波材料技術與工程研究所增材制造研發團隊圍繞彎液面限域電化學沉積(MCED, Meniscus-confined electrodeposition)工藝,系統研究了彎液面內傳質和電化學沉積機理,開發了一種新型的電場驅動動態沉積技術,打破了MCED工藝只能在導電基底上沉積線狀微結構的限制,使3D微打印微納功能器件向系統級加工和集成方向發展。
研究團隊在研究的過程中發現了控制動態掃描和沉積過程的新機制,完整的動態電沉積過程由彎液面表面及內部的傳質過程和遵守法拉第電解定律的局域電沉積過程協同作用實現。其中,彎液面表面和內部的傳質過程還包括復雜的溶劑揮發誘導離子遷移jw和表面張力梯度作用下的反向Marangoni流jp,如圖1所示。通過理論分析和實驗驗證,團隊成員獲得了控制沉積結構尺寸和形貌的數學模型。
與此同時,研究人員發現,在不同基底上動態電浸潤過程與常規的浸潤性呈相反趨勢,如圖2所示。由于動態電浸潤作用,疏水性的金基底沉積線寬明顯高于親水性的玻璃基底。該浸潤性也明顯影響圖1所示的“咖啡環”效應。特別是在較高打印速率下,由于咖啡環效應的發生,在導電基底上微米銅帶出現明顯的高度波動和滑移,而在非導電基底上則形成串珠狀結構。
通過橫向MCED直寫制備的銅微米線具有納米晶結構,具有超高導電率(15700S/cm),遠優于通過傳統方法如FIB-CVD或靜電紡絲等制備的金屬線?;谄鋬灹夹阅?,研究人員將制備的銅微米線用作連接線穩定驅動LED燈,開發了橫豎向相結合的三維風速傳感器演示器件,如圖3所示。

圖1 電場驅動動態沉積(彎液面穩定)機制

圖2 動態電浸潤測試原理圖及在不同基底上的動態接觸角

圖3 銅微米線的電性能及其應用
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