[发明专利]一种基于喷墨打印技术的薄膜制备装置及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜制备技术领域，更具体地，涉及一种基于喷墨打印技术的薄膜制备装置及制备方法。

背景技术

石墨烯是近年来发展起来的一种新型二维无机纳米材料，由于其具极高的机械强度、出色的导电和导热性能，以及丰富的来源，在化学、物理、材料、电子等各个领域均具有广阔的应用前景。但是，石墨烯的工业化应用存在诸多问题，其中，规模化制备石墨烯便是主要的挑战之一。

氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，因与石墨烯在结构上非常类似，是制备石墨烯常用的前驱体。同时，氧化石墨烯也是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和丰富的官能团，如羟基、环氧基、羧基和羰基等。此外，氧化石墨烯的拉伸模量和极限强度与单壁碳纳米管的拉伸模量和极限强度相似，且其质量轻，导热性好，并且价廉易得，是制备聚合物纳米复合材料的优质原材料。

此外，二维薄膜材料由于其在光、电、磁方面的优异性能，使其具有广阔的应用前景。制备氧化石墨烯或二维薄膜材料的传统的方法主要有旋涂法和喷涂法。

以制备氧化石墨烯薄膜的方法为例。旋涂法是利用高速旋转的匀胶机，通过配料、高速旋转和挥发成膜三个步骤制备薄膜。通过控制旋涂的时间、转速、石墨烯溶液的滴液量以及溶液浓度来控制薄膜的厚度。但该方法中，影响薄膜质量的因素较多，如溶液浓度、转速、溶剂类型、旋涂次数、外界温度和湿度都会影响薄膜的质量，且由于氧化石墨烯的粘度非常低，该方法制备的薄膜附着性差，薄膜的均匀性和厚度不可控，使得该方法难以应用于大面积的氧化石墨烯薄膜的制备。

喷涂法是通过喷雾器雾化氧化石墨烯溶液，然后将雾化的氧化石墨烯溶液喷洒到基底表面，形成氧化石墨烯薄膜。但该方法中，溶液浓度、溶液的分散程度、喷涂的均匀性均对薄膜的质量有很大影响，薄膜的均匀性和厚度难以精确控制。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的能够大规模制备薄膜的基于喷墨打印技术的薄膜制备装置及制备方法。

随机式喷墨打印技术是将少量墨水转化成墨滴，并将墨滴喷涂到纸上，形成字符或图案。随机式喷墨打印技术中，受打印信号的控制，墨水只在打印需要时才喷射。为了提高打印速度，随机式喷墨打印机大多采用多喷头的结构，并在喷头上设置换能器，精确控制喷头中墨水的喷射。

根据本发明的一个方面，基于随机式喷墨打印技术，提供一种基于喷墨打印技术的薄膜制备装置，包括安装有喷头阵列的顶板和能够固定基底的底板，所述喷头阵列连接控制装置，所述喷头阵列的喷头的侧面安装有由控制装置控制的换能器，且所述喷头面向底板上放置的基底。

该装置结构简单，并且，在薄膜制备时，按照控制装置预设的形状，由喷头阵列中的喷头同时向基底上喷射试剂，充分保证所制备薄膜的均一性。此外，喷头阵列的设置，有利于快速、大面积制备薄膜。同时，放置在底板上的基底的形状和大小能够调节，进一步保证大规模制备薄膜的实现。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于喷墨打印技术的薄膜制备方法，能够应用于制备氧化石墨烯薄膜和二维薄膜材料，其中二维薄膜材料主要为石墨烯薄膜、黑磷薄膜、WS₂薄膜、TiSe₂薄膜、Bi₂Se₃薄膜。其包括以下步骤：

S1、配置制备薄膜的试剂，并将该试剂装入所述储液盒中；

S2、将基底固定放置于可移动平台上；

S3、根据预设的薄膜生长形状，控制装置控制喷头阵列和可移动平台移动至合适的位置；

S4、储液盒中的试剂进入到喷头阵列中，控制装置控制喷头阵列的喷头，将试剂喷射至基底上，制备得到薄膜。

该制备方法工艺过程简单，在常温、常压条件下，直接制备得到与基底有更好附着性的薄膜材料，避免高温条件下对薄膜性质的影响。

本申请提出的一种基于喷墨打印技术的薄膜制备装置及制备方法，其有益效果主要如下：

(1)在顶板和底板上对应设置用于制备薄膜的喷头阵列和放置基底的可移动平台，结构简单；

(2)由控制装置控制底板上可移动平台，以调整基底上生长的薄膜的位置和形状，控制方式简便；

(3)顶板上设置的喷头阵列，便于快速、大面积制备薄膜；

(4)喷头的喷嘴尺寸小，同时由于换能器的作用，试剂喷射速度快，便于准确控制薄膜的厚度，增加薄膜与基底的附着力；

(5)薄膜制备方法的工艺过程简单，易于控制；

(6)采用喷头阵列，能够同时向基底大面积喷射溶液，有效的提高了薄膜的均一性；