專利名稱：一種基片強適應性納米材料均勻成膜方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種材料加工制備領域和微細加工技術領域的材料制備方法，尤其涉及一種基片強適應性納米粒子均勻化成膜方法及其裝置。
背景技術：
納米材料在諸多方面有著廣闊的應用前景，其中，納米粒子和一維納米材料的應用尤其受到學術界和企業界的重視。納米粒子是一種尺度在幾納米到幾百納米水平的顆粒，也被稱為零維納米材料。一維納米材料是一種具有大長徑比、超大長徑比的線狀、管狀、棒狀的納米結構功能材料，典型的一維納米材料有氧化鋅納米棒、金納米線、娃納米線、碳化娃納米線、碳納米管等。這兩種納米材料在電子技術、生物醫藥、疾控診斷、特種功能結構等方面的應用中，可以極大地優化材料物性、器件性能、裝備性能，從而可以形成相比傳統技術有巨大競爭優勢的高技術產品。在上述方面的應用中，由于納米粒子和一維納米材料的宏觀體通常是呈粉末狀的，因此，如何在各種材質、各種表面形貌的基片上散布納米粒子、并高精度地控制其在基片上的密度分布，成為上述兩種納米材料應用中普遍存在的瓶頸問題。經對現有技術的文獻檢索發現，在公開的技術文獻中，為解決該瓶頸問題，主要是將形成納米材料混合液或納米材料溶液，利用霧化噴涂、旋涂、印刷、L-B膜等方法將納米材料覆蓋在基片表面。如張秀霞等人在“液晶與顯示”2008年第23卷611-614頁上所發表的文章“絲網印刷碳納米管薄膜的電子發射”中，碳納米管被分散在松油醇和乙基纖維素中形成混合漿體，然后通過絲網印刷的方法在基片上局部區域成膜，實現一定的圖形化功能。然而這一技術有如下顯而易見的局限性第一，無法對很多難以形成漿體的納米材料進行印刷操作，例如納米粒子、高密度的納米棒等；第二，印刷后需要后續的去溶劑處理，通常要在300攝氏度以上的高溫下進行，無法對很多高溫特性不好的基片、或者表面已經設置精密結構的基片實現印刷操作；第三，成膜的均勻性受制于納米材料在漿料中的均勻分布，其厚度均勻度受制于印刷過程的工藝參數，目前還沒有報道能夠實現大范圍均勻分布的工藝參數。再如Cavicch1. R. E.等人在“Sensors and Actuators B:Chemical (傳感器與執行器B :化學)” 2001年第77卷145-154頁上發表的論文“Spin-on (—種基于枝杈結構碳納米管的場致電離氣體傳感器)”中，將ZnO納米粒子分散于甲醇中形成混合液，通過旋涂的方法涂覆于基片表面，其結果顯示，納米粒子需要在某些特定的基片，或者是經過一定處理的基片上才能實現較為均勻旋涂。該工藝根本無法在某些疏水性基片上應用。再如Dongmok Whang等人在“Nano Letters (納米快報)” 2003年第3卷第9期1255-1259 頁上所發表的論文 “Large-Scale Hierarchical Organization of NanowireArrays for Integrated Nanosystems(應用于集成納系統的大尺度多層納米線陣列組織)”中，硅單晶納米線能夠通過L-B膜的方法在硅基片表面實現了較為均勻的覆蓋。然而這種方法的缺陷在于第一，在很多情況下需要為了能夠實現該工藝選擇特定的溶劑，并要對基片進行一定的表面處理，對于某些納米材料還必須對其進行表面處理，因此，對基片的適應性、納米材料的兼容性提出了很多苛刻的限制條件，在很多應用中根本不適用；第二，成膜質量高度依賴對基片和液面相對運動的控制，如果需要多層膜，或者是較厚的膜，會大幅度提高成本，嚴重影響相關技術的成本控制；第三，對基片表面起伏很敏感，使其難以應用于需要將納米結構覆蓋于已經在基片表面設置了微細結構的器件的制備工藝中。再如F. Zahedi等人在“Thin Solid Films (固體薄膜)” 2011年9月10日發表的論文 “Effect of precursor concentration on structural and optical propertiesof ZnO microrods by spray pyrolysis (前驅體濃度對由噴霧干燥實現的ZnO微米棒結構和光學特性的影響)”中，將要形成納米粒子的材料溶解于溶劑中，通過高速氣流噴嘴將溶液霧化為液滴，并在載氣運動的作用下將霧化液滴吹送到操作區域，基片在氣流下方，霧化液滴在重力和載氣流體力的共同作用下向下噴涂到基片表面，通過加熱基片的方式使得液滴中的溶劑揮發，溶劑分子于是能夠在基片上形成一層連續的膜，通過控制基片溫度等方式促使該層膜發生皸裂，有可能形成溶質物質納米尺度的顆粒較為均勻的分布。該技術具有如下局限性第一，不是所有納米粒子都能夠找到一種合適的溶劑使之溶解，然后再通過低溫加熱的方法就可以在基片上重新形成這種物質的薄膜，例如幾乎所有的金屬納米粒子，因此其應用范圍很有限；第二，即便某些物質能夠形成溶液，并能夠在基片表面形成膜，但是不一定能夠皸裂為納米顆粒，因此其應用范圍受到進一步限制；第三，由于噴霧過程是簡單地使載氣攜帶著溶劑噴射到基片上，因此到達基片表面的霧滴的尺寸勢必非常不均勻，因此無論是在厚度方向上，還是在平行于表面的方向上，很難形成納米尺度薄層結構的均勻分布。再如 Koji Sasaki 等人在 “ International Annual Conference on LiquidAtomization and Spray Systems (液體自動霧化系統國際年會)” 2009年第11屆年會上所發表的論文“Nanosized particle synthesis by Flash Boiling Atomization (由自動閃沸法合成納米尺度顆粒)”中，將納米材料的前驅體溶液利用氣動噴嘴向上噴到燃燒室中，完成化學反應和產物尺度調制兩個過程。但由于需要在燃燒火焰的環境下完成工藝步驟，該方法無法在各種基片上成膜，尤其難以在已經制作了微結構的基片表面成膜。該方法還存在引入新的納米雜質如碳納米粒子，還需要真空設備配套，存在裝置復雜、成本高昂的問題。因此，本領域的技術人員致力于開發一種適應于多種基片的納米材料均勻成膜方法。
發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種基片強適應性納米材料均勻化成膜方法及其裝置。該方法能夠通過氣體流場中氣體分子定向運動對霧化液滴形成的流體力與液滴尺寸和重量的關系，僅將流體力大于重力的較小液滴帶動到基片表面，從而能夠形成到達基片表面液滴尺度的均勻分布，基片的表面狀況不會對工藝效果產生影響，使其具有很強的基片適應性。為實現上述目的，本發明提供了一種基片強適應性納米材料均勻成膜方法，包括以下步驟I)制備納米材料混合液或納米材料溶液；
其中，納米材料混合液是指將不溶性納米材料均勻分散到溶劑中，形成的懸濁液或乳濁液；納米材料溶液是指將可溶性納米材料或尚未形成納米結構的材料溶解于溶劑中，形成的溶液。2)在步驟I)中所得的納米材料混合液或納米材料溶液上方的氣體中，制造載氣流場；3)霧化步驟I)所得的納米材料混合液或納米材料溶液，形成納米材料霧化液滴；4)步驟2)所述的載氣流場帶動步驟3)形成的所述納米材料霧化液滴豎直向上地噴射到基片表面。進一步地，其中，當所述基片的所需涂覆面積大于單次噴射面積時，進一步包括以下工序調節所述基片的位置，隨著所述基片的運動，將霧化液滴均勻噴涂到所述基片表面所需涂覆的所有區域。或，其中，當所述基片的所需涂覆面積大于單次噴射面積時，進一步包括以下工序a)停止所述載氣流場的氣體流動；b)調節所述基片的位置，所述基片運動到待噴霧位置后，停止運動；c)依次進行步驟2)、步驟3)和步驟4)；d)重復工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面積被霧化液滴均勻涂覆。或，其中，當所述基片的所需涂覆面積大于單次噴射面積時，進一步包括以下工序a)停止所述霧化；b)調節所述基片的位置，所述基片運動到待噴霧位置后，停止運動；c)依次進行步驟3)和步驟4)；d)重復工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面積被霧化液滴均勻涂覆。或，其中，當所述基片的所需涂覆面積大于單次噴射面積時，進一步包括以下工序a)停止所述載氣流場的氣體流動和所述霧化；b)調節所述基片的位置，所述基片運動到待噴霧位置后，停止運動；c)依次進行步驟2)、步驟3)和步驟4)；d)重復工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面積被霧化液滴均勻涂覆。進一步地，其中，步驟2)中所述載氣流場的方向為垂直向上，所述載氣流場中為連續的流動氣體，或為隨時間周期性波動的流動氣體。進一步地，其中，步驟3)所述的霧化為連續地形成納米材料霧化液滴，或隨時間周期性地形成納米材料霧化液滴。本發明還提供了一種基片強適應性納米材料均勻化成膜裝置，包括液體樣品容器、超聲霧化器、向上氣流發生器、系統狀態控制器，其中，所述超聲霧化器設置在所述液體樣品容器內部，將所述液體樣品容器內部盛放的納米材料混合液或納米材料溶液霧化，形成納米材料霧化液滴；所述向上氣流發生器包括導流通道、壓差驅動器和霧化液滴射流噴口 ；所述壓差驅動器與所述液體樣品容器的側部相連，或位于所述樣品容器內部，或位于所述導流通道內部，或與所述導流通道頂部相連，所述壓差驅動器在所述納米材料混合液或納米材料溶液上方的氣體中，制造載氣流場；所述導流通道位于所述液體樣品容器上部，與所述液體樣品容器的頂部相連，在所述導流通道內部，所述載氣流場帶動所述霧化液滴垂直向上移動至所述霧化液滴射流噴口，使所述霧化液滴豎直向上地噴射到基片表面；所述系統狀態控制器與所述液體樣品容器、所述超聲霧化器及所述向上氣流發生器均不連通，或位于所述導流通道內部，或與所述導流通道的側部相連，通過所述系統狀態控制器調節所述基片的位置，使所述基片表面被所述霧化液滴均勻涂覆。進一步地，其中，所述的系統狀態控制器包括位移系統，所述位移系統使用步進電機、伺服電機或氣缸提供動力。進一步地，其中，所述的系統狀態控制器包括加熱系統，所述加熱系統使用正溫度系數加熱器或遠紅外加熱器作為熱源。本發明提出的納米材料成膜方法通過豎直向上的流動氣體，對納米材料混合液或者納米材料溶液的霧化液滴產生向上的升力，根據連續介質流體力學，該升力的定義式為
權利要求
1.一種基片強適應性納米材料均勻成膜方法，其特征在于，包括以下步驟 1)制備納米材料混合液或納米材料溶液； 2)在步驟I)中所得的納米材料混合液或納米材料溶液上方的氣體中，制造載氣流場； 3)霧化步驟I)所得的納米材料混合液或納米材料溶液，形成納米材料霧化液滴； 4)步驟2)所述的載氣流場帶動步驟3)形成的所述納米材料霧化液滴豎直向上地噴射到基片表面。
2.如權利要求1所述的方法，其中，當所述基片的所需涂覆面積大于單次噴射面積時，進一步包括以下工序 調節所述基片的位置，隨著所述基片的運動，將霧化液滴均勻噴涂到所述基片表面所需涂覆的所有區域。
3.如權利要求1所述的方法，其中，當所述基片的所需涂覆面積大于單次噴射面積時，進一步包括以下工序 a)停止所述載氣流場的氣體流動； b)調節所述基片的位置，所述基片運動到待噴霧位置后，停止運動； c)依次進行步驟2)、步驟3)和步驟4)； d)重復工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面積被霧化液滴均勻涂覆。
4.如權利要求1所述的方法，其中，當所述基片的所需涂覆面積大于單次噴射面積時，進一步包括以下工序 a)停止所述霧化； b)調節所述基片的位置，所述基片運動到待噴霧位置后，停止運動； c)依次進行步驟3)和步驟4)； d)重復工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面積被霧化液滴均勻涂覆。
5.如權利要求1所述的方法，其中，當所述基片的所需涂覆面積大于單次噴射面積時， 進一步包括以下工序 a)停止所述載氣流場的氣體流動和所述霧化； b)調節所述基片的位置，所述基片運動到待噴霧位置后，停止運動； c)依次進行步驟2)、步驟3)和步驟4)； d)重復工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面積被霧化液滴均勻涂覆。
6.如權利要求1所述的方法，其中，步驟2)中所述載氣流場的方向為垂直向上，所述載氣流場中為連續的流動氣體，或為隨時間周期性波動的流動氣體。
7.如權利要求1所述的方法，其中，步驟3)所述的霧化為連續地形成納米材料霧化液滴，或隨時間周期性地形成納米材料霧化液滴。
8.一種基片強適應性納米材料均勻化成膜裝置，其特征在于，包括液體樣品容器、超聲霧化器、向上氣流發生器、系統狀態控制器，其中，所述超聲霧化器設置在所述液體樣品容器內部，將所述液體樣品容器內部盛放的納米材料混合液或納米材料溶液霧化，形成納米材料霧化液滴；所述向上氣流發生器包括導流通道、壓差驅動器和霧化液滴射流噴口 ；所述壓差驅動器與所述液體樣品容器的側部相連，或位于所述樣品容器內部，或位于所述導流通道內部，或與所述導流通道頂部相連，所述壓差驅動器在所述納米材料混合液或納米材料溶液上方的氣體中，制造載氣流場；所述導流通道位于所述液體樣品容器上部，與所述液體樣品容器的頂部相連，在所述導流通道內部，所述載氣流場帶動所述霧化液滴垂直向上移動至所述霧化液滴射流噴口，使所述霧化液滴豎直向上地噴射到基片表面；所述系統狀態控制器與所述液體樣品容器、所述超聲霧化器及所述向上氣流發生器均不連通，或位于所述導流通道內部，或與所述導流通道的側部相連，通過所述系統狀態控制器調節所述基片的位置，使所述基片表面被所述霧化液滴均勻涂覆。
9.如權利要求8所述的裝置，其中，所述的系統狀態控制器包括位移系統，所述位移系統使用步進電機、伺服電機或氣缸提供動力。
10.如權利要求9所述的裝置，其中，所述的系統狀態控制器包括加熱系統，所述加熱系統使用正溫度系數加熱器或遠紅外加熱器作為熱源。
全文摘要
本發明公開了一種基片強適應性納米材料均勻成膜方法，包括步驟制備納米材料混合液或納米材料溶液；制造載氣流場；形成納米材料霧化液滴；載氣流場帶動納米材料霧化液滴豎直向上地噴射到基片表面。本發明還公開了一種基片強適應性納米材料均勻化成膜裝置，包括液體樣品容器、超聲霧化器、向上氣流發生器、系統狀態控制器。本發明能夠通過制造均勻的載氣流場，實現均勻的霧化液滴流，極大地提高了基片表面霧化液滴的覆蓋均勻性，從而提高納米材料的成膜均勻性，更好地實現了對成膜厚度的控制。此外，本發明所述方案對操作環境、基片類型、納米材料的類型等因素具有很好的適應性。
文檔編號B81C1/00GK103043601SQ20131000107
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月4日 優先權日2013年1月4日
發明者侯中宇, 房茂波 申請人:上海交通大學