[发明专利]三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法

权利要求书

1.一种三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，配制适合喷墨打印的纳米油墨；

步骤2，设计所需纳米结构阵列图形，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米结构阵列；

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；

其中,所述喷嘴组成通用喷头和专用喷头，通用喷头中的M×N个喷嘴呈矩阵排列，1≤M，N≤100；专用喷头的喷嘴阵列形成所需的拓扑结构；

使用通用喷头打印立体拓扑结构图形阵列时，通用喷头的每个喷嘴单独控制喷墨，衬底不移动，单个喷嘴重复在上一个墨点上打印得到单根立体纳米线；纳米线的直径等于墨点尺寸，软件程序设定对多个喷嘴加电压，工作的喷嘴阵列共同形成特定图形，打印得到所需的三维超材料阵列单元；

使用专用喷头打印立体拓扑结构图形阵列时，直接打印得到与之匹配的三维超材料阵列图形单元；

移动衬底，在衬底其他区域进行打印，得到另一个单元；操作多次，得到大面积周期性结构。

2.根据权利要求1所述的三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法，其特征在于：用于打印立体拓扑结构的方式如下：

打印不同尺寸纳米线：纳米线的尺寸包括直径和高度，通用喷头的每个喷嘴独立工作，通过调整打印参数，得到不同尺寸纳米线；或专用喷头一个图形单元的喷嘴同时工作，该阵列单元中的每根纳米线尺寸可控；

打印倾斜、弯曲、螺旋状纳米线阵列：喷墨打印时，沿x或y轴其中一个方向按固定速度移动位移台，得到倾斜一定角度的纳米线，沿x轴正方向移动，则纳米线向x轴负方向倾斜；沿x轴负方向移动，则纳米线向x轴正方向倾斜；沿y轴正方向移动，则纳米线向y轴负方向倾斜；沿y轴负方向移动，则纳米线向y轴正方向倾斜；位移台沿x或y轴正负方向循环移动，得到弯曲纳米线，沿x轴正负方向左右移动位移台，则纳米线在xoz平面内弯曲；沿y轴正负方向左右移动位移台，则纳米线在yoz平面内弯曲；位移台沿x、y轴正负共四个方向间隔移动，则得到螺旋状纳米线，位移台分别沿x轴正方向、y轴正方向、x轴负方向、y轴负方向循环移动，得到的纳米线，俯视图成逆时针螺旋向上；

打印异质结构纳米线阵列：装有某种成分油墨的喷嘴打印一段时间，形成长度L₁的纳米线；移动衬底，装有另一种成分油墨的喷嘴在现有纳米线上方继续打印，形成长度L₂的纳米线，由此形成总长度L＝L₁+L₂的纳米线；多个喷嘴同时工作，形成异质结纳米线阵列单元；

打印不同材料组成的阵列单元：每个喷嘴均有独立供墨墨盒，在不同墨盒中灌装不同成分油墨，同时控制每个喷嘴工作时间，实现阵列单元中纳米结构的材料、尺寸参数的多样化，达到更多功能；

打印超细立体金属纳米线阵列：打印立体纳米线阵列；打印结束后对样品进行两轮后处理，焊接金属纳米颗粒并去除聚合物基材，处理后的纳米线尺寸更小；用这种方法制备最小单元尺寸在10nm-100nm的纳米点阵、纳米线阵、三维复杂纳米阵列；

打印功能图案：单次打印得到由墨点组成的图形；墨点材料作为催化剂，在带有墨点阵列的衬底上继续用化学气相沉积法进行外延生长，得到纳米结构阵列。

3.根据权利要求1所述的三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法，其特征在于：喷墨打印得到的纳米线直径最小即为墨点尺寸，为100nm-100μm；喷嘴间距d，1mm≤d≤100mm。

4.根据权利要求1所述的三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法，其特征在于：其特征在于：所述油墨的材料为金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、铝纳米颗粒、铂纳米颗粒、石墨烯、硫化钼、碳纳米管、半导体纳米颗粒或量子点。

5.根据权利要求1所述的三维超材料阵列的大规模喷墨打印方法，其特征在于：所述衬底为金属板、硅片、蓝宝石玻璃片、石英玻璃片、纸张、PET或PEN。