[发明专利]三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于超材料、印刷电子和红外探测等技术领域，涉及复杂拓扑结构阵列大规模制备方法，尤其涉及一种三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法。

背景技术

超材料是一种基于微纳结构的人工复合材料，通过对这些微纳基本单元的拓扑结构设计，产生区别于基本结构单元的新特性，可对电磁波传播进行人为设计、任意控制，实现电磁波的空间增益、波束偏折、极化旋转、吸收、透明等，从而应用在传感、显示、光伏等领域。例如用周期性排列的金属杆和开口谐振环可制备出自然界中不存在的介电常数和磁导率均为负的“左手材料”，从而应用在电磁隐身领域；利用硅纳米线阵列实现太阳能电池的宽光谱吸收、提升效率等；利用等离激元材料、光子晶体等超材料阵列在光谱上的特征相应，实现近红外、甚至中红外波长范围的光电探测。

由于不同的微纳结构以及不同的排布方式将产生不同的物理特性，因此超材料阵列的制备方法必须能够实现单元结构、尺寸等一系列参数精确可调。例如，在传感应用领域，为实现对不同波长的光信号提取，超材料微纳结构单元尺寸覆盖一百纳米至一千微米范围。由纳米结构构成的超材料阵列，纳米结构之间的间距也要求控制在波长量级，甚至是更小的亚波长量级，这就对超材料阵列的制备工艺提出了严格要求，包括以下几个方面：1、单个纳米结构的特征尺寸可控；2、纳米结构倾斜、弯曲形态可控；3、异质结构制备，包括金属、聚合物、半导体、绝缘体等各种单一材料或复合材料等；4、单个阵列单元可包含不同特征尺寸、不同材料的纳米结构；5、其他复杂立体结构制备；6、快速、大规模制备超材料阵列，以便未来实现器件微型化、集成化；7、易于在不同衬底上制备，实现柔性电子器件。

针对上述要求，目前超材料阵列的制备方法，可以分为物理成型和外延生长类。其中物理成型方法包括蘸水笔直接写、电子束光刻、聚焦离子束刻蚀等，这些方法图形精度高，但只适合于小单元制造，且加工成本高。外延生长超材料阵列方法包括化学气相沉积和液相化学反应等，超材料结构单元的特征尺寸由反应参数决定，工艺复杂，且无法直接沉积在不同衬底上。同时，工艺中可能需要各类酸碱及腐蚀性环境，降低了制备方法的实用性。此外，外延生长得到的纳米线形貌、尺寸分布具有一定随机性，并不是严格意义上的阵列，无法根据性能要求，随意操控阵列参数。相比较于之前几种方法，喷墨打印可以直接制备特定图案，且同时具有快捷方便、适用于不同材料和衬底等优点。其中，电动流体喷墨打印技术作为更高精度的喷墨打印方法，其工作原理是，在喷嘴和接地衬底间加电场，喷嘴的玻璃细管中，油墨受到的电场力大于黏滞力，在针管末端形成半月弧形液滴，由于液滴中自由电荷之间的静电斥力，在下弧面产生凸出的“泰勒锥”，锥尖的强电场将极小液滴喷向衬底。利用这种电动流体喷墨打印技术，可以得到尺寸远小于喷嘴内径的墨滴，因而得到更高分辨率图形。但其缺点在于，实际操作过程中，为形成复杂拓扑图形和立体结构，需要控制衬底或喷嘴移动，逐点打印，加工难度大，且费时长，不利于大规模推广。

综上所述，实现超材料阵列应用，关键在于对这些复杂拓扑结构的制备。目前超材料阵列的制备方法中，难有同时满足高精度、高效率、大规模、复杂立体结构阵列、低成本等要求的技术，而这一关键瓶颈问题的解决，对实现新一代超材料功能器件及未来大规模集成化应用至关重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法，适用于多种材料和衬底，提高微纳结构制备精度，并可制备多种特征的纳米阵列单元，包括立体、倾斜、弯曲、螺旋、异质结构等，从而可以得到大规模复杂拓扑阵列。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法，包括以下步骤：

步骤1，配制适合喷墨打印的纳米油墨；

步骤2，设计所需纳米线阵列图形，设置打印参数，并将步骤1得到的纳米油墨灌装进对应墨盒中；

步骤3，喷墨打印，注射泵产生气压，通过气管给每组墨盒和喷嘴供气；衬底接地，将经过表面处理的硅片衬底放置在位移台上、正对喷头下方；接通电源，喷嘴产生墨滴，沉积在衬底上；同时位移台加热，设置温度低于所用纳米材料的熔点，连续打印得到相应拓扑结构的纳结构阵列；

步骤4，单个阵列单元打印结束后，移动位移台，喷嘴在衬底的其他位置继续打印；如此重复，最终得到大规模的纳米结构阵列。

具体地，所述喷嘴组成通用喷头和专用喷头，通用喷头中的喷嘴呈矩阵排列，专用喷头的喷嘴阵列形成所需的拓扑结构。