[发明专利]一种制备纳米拱形结构的电射流打印装置及方法

说明书

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种制备纳米拱形结构的电射流打印装置及方法，利用微纳米尺度射流在衬底上构筑出纳米拱形结构的三维支撑结构，借助激光束辐照射流，获得利于打印的溶液物化性质，接着更换打印溶液，通过调节电射流打印工艺参数获得纳米尺度射流，纳米尺度射流飞落到三维支撑结构表面上形成纳米线，借助激光束固化成型纳米线，制备出自下而上依次为衬底‑三维支撑结构‑纳米线的三明治结构，利用激光束热解去除三维支撑结构，部分长度的纳米线位于衬底上方，即获得纳米拱形结构。本发明的打印装置及方法制备纳米拱形结构，具有控制灵活、加工周期短、材料适应性广等优势。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种制备纳米拱形结构的电射流打印装置及方法。

背景技术

随着纳米制造技术的发展，纳米器件集成度不断提高、体积不断减小，器件的功能结构逐渐从平面纳米结构发展为空间纳米结构。纳米拱形作为典型的空间纳米结构不仅具有纳米材料的尺寸、量子、表面等特异效应，还可通过拱形结构的几何形状调控电子、光子输运与耦合行为。纳米拱形结构可以大幅提升纳米器件性能，获得远超平面纳米器件的更高灵敏性、集成度等性能。目前制备纳米拱形结构多采用聚焦离子束沉积(刻蚀)、电子束沉积(刻蚀)等方法，但随着纳米拱形结构高度、跨度的增大，上述方法加工中物质间的反应逐渐减弱，并且引发不可预期破坏。另外纳米拱形结构在叠层沉积和刻蚀过程中会存在界面缺陷，形成结构应力集中和层间薄弱，易引起界面裂纹、断裂等损伤现象，降低了纳米拱形结构的性能。另外，聚焦离子束沉积(刻蚀)、电子束沉积(刻蚀)等方法工艺复杂、加工条件苛刻，这无疑增加了纳米拱形结构的制备成本和周期。

发明内容

本发明为了克服上述纳米拱形结构制造技术的不足，发明一种制备纳米拱形结构的电射流打印装置及方法。首先利用基于电流体动力效应的电射流打印方法在衬底上制备出纳米拱形结构的三维支撑结构，接着利用获得的纳米尺度电喷射流在三维支撑结构上打印纳米线，打印过程中借助具有高能量的激光束辐照射流以改变物化性质，同时激光束辐照附着在三维支撑结构上表面的纳米线，使纳米线固化成型，最后利用激光束热解去除三维支撑结构，得到纳米拱形结构。具有控制灵活、加工周期短、成本低、材料适应性广等特点。

本发明采取的技术方案是：

一种制备纳米拱形结构的电射流打印装置，该装置利用该方法利用电流体动力效应聚焦形成的不同尺度射流，借助激光束辐照加热射流、辐照固化纳米结构，制备出自下而上依次为衬底-三维支撑结构-纳米线的三明治结构，利用激光束热解去除三维支撑结构，部分长度的纳米线位于衬底上方，即获得纳米拱形结构。首先利用微纳米尺度射流在衬底上构筑出纳米拱形结构的三维支撑结构，借助高能量激光束辐照射流，获得利于打印的溶液物化性质，接着更换打印溶液，通过调节电射流打印工艺参数获得纳米尺度射流，纳米尺度射流飞落到三维支撑结构表面上形成纳米线，借助激光束固化成型纳米线，三维支撑结构上方是纳米线下方是衬底，最后利用激光束热解去除三维支撑结构，获得纳米拱形结构。

该装置包括电射流打印模块和激光辐照/热解模块；所述的电射流打印模块包括X-Y运动平台、衬底、高压电源、精密注射泵、精密注射器、纳米拱形结构溶液、连接管路、喷针导电夹具、Z运动轴、亚微米/纳米尺度喷针、纳米尺度射流、三维支撑结构溶液、微米喷针和微纳米尺度射流；所述的衬底固定在X-Y运动平台；所述的精密注射器放置在精密注射泵上方，精密注射器吸取一定体积的三维支撑结构溶液并通过连接管路将其输送至微米喷针内，微米喷针固定在喷针导电夹具上，喷针导电夹具安装在Z运动轴；所述的高压电源通过喷针导电夹具向微米喷针施加高电压，此时微米喷针与衬底之间形成电场力，三维支撑结构溶液在电场力、重力、溶液表面张力等复合作用下于微米喷针出口处形成微纳米尺度射流；所述的纳米拱形结构溶液被输送至亚微米/纳米尺度喷针内，通过调节打印参数，在亚微米/纳米尺度喷针出口处形成纳米尺度射流。