专利名称：一种基片强适应性纳米材料均匀成膜方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料加工制备领域和微细加工技术领域的材料制备方法，尤其涉及一种基片强适应性纳米粒子均匀化成膜方法及其装置。
背景技术：
纳米材料在诸多方面有着广阔的应用前景，其中，纳米粒子和一维纳米材料的应用尤其受到学术界和企业界的重视。纳米粒子是一种尺度在几纳米到几百纳米水平的颗粒，也被称为零维纳米材料。一维纳米材料是一种具有大长径比、超大长径比的线状、管状、棒状的纳米结构功能材料，典型的一维纳米材料有氧化锌纳米棒、金纳米线、娃纳米线、碳化娃纳米线、碳纳米管等。这两种纳米材料在电子技术、生物医药、疾控诊断、特种功能结构等方面的应用中，可以极大地优化材料物性、器件性能、装备性能，从而可以形成相比传统技术有巨大竞争优势的高技术产品。在上述方面的应用中，由于纳米粒子和一维纳米材料的宏观体通常是呈粉末状的，因此，如何在各种材质、各种表面形貌的基片上散布纳米粒子、并高精度地控制其在基片上的密度分布，成为上述两种纳米材料应用中普遍存在的瓶颈问题。经对现有技术的文献检索发现，在公开的技术文献中，为解决该瓶颈问题，主要是将形成纳米材料混合液或纳米材料溶液，利用雾化喷涂、旋涂、印刷、L-B膜等方法将纳米材料覆盖在基片表面。如张秀霞等人在“液晶与显示”2008年第23卷611-614页上所发表的文章“丝网印刷碳纳米管薄膜的电子发射”中，碳纳米管被分散在松油醇和乙基纤维素中形成混合浆体，然后通过丝网印刷的方法在基片上局部区域成膜，实现一定的图形化功能。然而这一技术有如下显而易见的局限性第一，无法对很多难以形成浆体的纳米材料进行印刷操作，例如纳米粒子、高密度的纳米棒等；第二，印刷后需要后续的去溶剂处理，通常要在300摄氏度以上的高温下进行，无法对很多高温特性不好的基片、或者表面已经设置精密结构的基片实现印刷操作；第三，成膜的均匀性受制于纳米材料在浆料中的均匀分布，其厚度均匀度受制于印刷过程的工艺参数，目前还没有报道能够实现大范围均匀分布的工艺参数。再如Cavicch1. R. E.等人在“Sensors and Actuators B:Chemical (传感器与执行器B :化学)” 2001年第77卷145-154页上发表的论文“Spin-on (—种基于枝杈结构碳纳米管的场致电离气体传感器)”中，将ZnO纳米粒子分散于甲醇中形成混合液，通过旋涂的方法涂覆于基片表面，其结果显示，纳米粒子需要在某些特定的基片，或者是经过一定处理的基片上才能实现较为均匀旋涂。该工艺根本无法在某些疏水性基片上应用。再如Dongmok Whang等人在“Nano Letters (纳米快报)” 2003年第3卷第9期1255-1259 页上所发表的论文 “Large-Scale Hierarchical Organization of NanowireArrays for Integrated Nanosystems(应用于集成纳系统的大尺度多层纳米线阵列组织)”中，硅单晶纳米线能够通过L-B膜的方法在硅基片表面实现了较为均匀的覆盖。然而这种方法的缺陷在于第一，在很多情况下需要为了能够实现该工艺选择特定的溶剂，并要对基片进行一定的表面处理，对于某些纳米材料还必须对其进行表面处理，因此，对基片的适应性、纳米材料的兼容性提出了很多苛刻的限制条件，在很多应用中根本不适用；第二，成膜质量高度依赖对基片和液面相对运动的控制，如果需要多层膜，或者是较厚的膜，会大幅度提高成本，严重影响相关技术的成本控制；第三，对基片表面起伏很敏感，使其难以应用于需要将纳米结构覆盖于已经在基片表面设置了微细结构的器件的制备工艺中。再如F. Zahedi等人在“Thin Solid Films (固体薄膜)” 2011年9月10日发表的论文 “Effect of precursor concentration on structural and optical propertiesof ZnO microrods by spray pyrolysis (前驱体浓度对由喷雾干燥实现的ZnO微米棒结构和光学特性的影响)”中，将要形成纳米粒子的材料溶解于溶剂中，通过高速气流喷嘴将溶液雾化为液滴，并在载气运动的作用下将雾化液滴吹送到操作区域，基片在气流下方，雾化液滴在重力和载气流体力的共同作用下向下喷涂到基片表面，通过加热基片的方式使得液滴中的溶剂挥发，溶剂分子于是能够在基片上形成一层连续的膜，通过控制基片温度等方式促使该层膜发生皲裂，有可能形成溶质物质纳米尺度的颗粒较为均匀的分布。该技术具有如下局限性第一，不是所有纳米粒子都能够找到一种合适的溶剂使之溶解，然后再通过低温加热的方法就可以在基片上重新形成这种物质的薄膜，例如几乎所有的金属纳米粒子，因此其应用范围很有限；第二，即便某些物质能够形成溶液，并能够在基片表面形成膜，但是不一定能够皲裂为纳米颗粒，因此其应用范围受到进一步限制；第三，由于喷雾过程是简单地使载气携带着溶剂喷射到基片上，因此到达基片表面的雾滴的尺寸势必非常不均匀，因此无论是在厚度方向上，还是在平行于表面的方向上，很难形成纳米尺度薄层结构的均匀分布。再如 Koji Sasaki 等人在 “ International Annual Conference on LiquidAtomization and Spray Systems (液体自动雾化系统国际年会)” 2009年第11届年会上所发表的论文“Nanosized particle synthesis by Flash Boiling Atomization (由自动闪沸法合成纳米尺度颗粒)”中，将纳米材料的前驱体溶液利用气动喷嘴向上喷到燃烧室中，完成化学反应和产物尺度调制两个过程。但由于需要在燃烧火焰的环境下完成工艺步骤，该方法无法在各种基片上成膜，尤其难以在已经制作了微结构的基片表面成膜。该方法还存在引入新的纳米杂质如碳纳米粒子，还需要真空设备配套，存在装置复杂、成本高昂的问题。因此，本领域的技术人员致力于开发一种适应于多种基片的纳米材料均匀成膜方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基片强适应性纳米材料均匀化成膜方法及其装置。该方法能够通过气体流场中气体分子定向运动对雾化液滴形成的流体力与液滴尺寸和重量的关系，仅将流体力大于重力的较小液滴带动到基片表面，从而能够形成到达基片表面液滴尺度的均匀分布，基片的表面状况不会对工艺效果产生影响，使其具有很强的基片适应性。为实现上述目的，本发明提供了一种基片强适应性纳米材料均匀成膜方法，包括以下步骤I)制备纳米材料混合液或纳米材料溶液；
其中，纳米材料混合液是指将不溶性纳米材料均匀分散到溶剂中，形成的悬浊液或乳浊液；纳米材料溶液是指将可溶性纳米材料或尚未形成纳米结构的材料溶解于溶剂中，形成的溶液。2)在步骤I)中所得的纳米材料混合液或纳米材料溶液上方的气体中，制造载气流场；3)雾化步骤I)所得的纳米材料混合液或纳米材料溶液，形成纳米材料雾化液滴；4)步骤2)所述的载气流场带动步骤3)形成的所述纳米材料雾化液滴竖直向上地喷射到基片表面。进一步地，其中，当所述基片的所需涂覆面积大于单次喷射面积时，进一步包括以下工序调节所述基片的位置，随着所述基片的运动，将雾化液滴均匀喷涂到所述基片表面所需涂覆的所有区域。或，其中，当所述基片的所需涂覆面积大于单次喷射面积时，进一步包括以下工序a)停止所述载气流场的气体流动；b)调节所述基片的位置，所述基片运动到待喷雾位置后，停止运动；c)依次进行步骤2)、步骤3)和步骤4)；d)重复工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面积被雾化液滴均匀涂覆。或，其中，当所述基片的所需涂覆面积大于单次喷射面积时，进一步包括以下工序a)停止所述雾化；b)调节所述基片的位置，所述基片运动到待喷雾位置后，停止运动；c)依次进行步骤3)和步骤4)；d)重复工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面积被雾化液滴均匀涂覆。或，其中，当所述基片的所需涂覆面积大于单次喷射面积时，进一步包括以下工序a)停止所述载气流场的气体流动和所述雾化；b)调节所述基片的位置，所述基片运动到待喷雾位置后，停止运动；c)依次进行步骤2)、步骤3)和步骤4)；d)重复工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面积被雾化液滴均匀涂覆。进一步地，其中，步骤2)中所述载气流场的方向为垂直向上，所述载气流场中为连续的流动气体，或为随时间周期性波动的流动气体。进一步地，其中，步骤3)所述的雾化为连续地形成纳米材料雾化液滴，或随时间周期性地形成纳米材料雾化液滴。本发明还提供了一种基片强适应性纳米材料均匀化成膜装置，包括液体样品容器、超声雾化器、向上气流发生器、系统状态控制器，其中，所述超声雾化器设置在所述液体样品容器内部，将所述液体样品容器内部盛放的纳米材料混合液或纳米材料溶液雾化，形成纳米材料雾化液滴；所述向上气流发生器包括导流通道、压差驱动器和雾化液滴射流喷口 ；所述压差驱动器与所述液体样品容器的侧部相连，或位于所述样品容器内部，或位于所述导流通道内部，或与所述导流通道顶部相连，所述压差驱动器在所述纳米材料混合液或纳米材料溶液上方的气体中，制造载气流场；所述导流通道位于所述液体样品容器上部，与所述液体样品容器的顶部相连，在所述导流通道内部，所述载气流场带动所述雾化液滴垂直向上移动至所述雾化液滴射流喷口，使所述雾化液滴竖直向上地喷射到基片表面；所述系统状态控制器与所述液体样品容器、所述超声雾化器及所述向上气流发生器均不连通，或位于所述导流通道内部，或与所述导流通道的侧部相连，通过所述系统状态控制器调节所述基片的位置，使所述基片表面被所述雾化液滴均匀涂覆。进一步地，其中，所述的系统状态控制器包括位移系统，所述位移系统使用步进电机、伺服电机或气缸提供动力。进一步地，其中，所述的系统状态控制器包括加热系统，所述加热系统使用正温度系数加热器或远红外加热器作为热源。本发明提出的纳米材料成膜方法通过竖直向上的流动气体，对纳米材料混合液或者纳米材料溶液的雾化液滴产生向上的升力，根据连续介质流体力学，该升力的定义式为
权利要求
1.一种基片强适应性纳米材料均匀成膜方法，其特征在于，包括以下步骤 1)制备纳米材料混合液或纳米材料溶液； 2)在步骤I)中所得的纳米材料混合液或纳米材料溶液上方的气体中，制造载气流场； 3)雾化步骤I)所得的纳米材料混合液或纳米材料溶液，形成纳米材料雾化液滴； 4)步骤2)所述的载气流场带动步骤3)形成的所述纳米材料雾化液滴竖直向上地喷射到基片表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中，当所述基片的所需涂覆面积大于单次喷射面积时，进一步包括以下工序 调节所述基片的位置，随着所述基片的运动，将雾化液滴均匀喷涂到所述基片表面所需涂覆的所有区域。
3.如权利要求1所述的方法，其中，当所述基片的所需涂覆面积大于单次喷射面积时，进一步包括以下工序 a)停止所述载气流场的气体流动； b)调节所述基片的位置，所述基片运动到待喷雾位置后，停止运动； c)依次进行步骤2)、步骤3)和步骤4)； d)重复工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面积被雾化液滴均匀涂覆。
4.如权利要求1所述的方法，其中，当所述基片的所需涂覆面积大于单次喷射面积时，进一步包括以下工序 a)停止所述雾化； b)调节所述基片的位置，所述基片运动到待喷雾位置后，停止运动； c)依次进行步骤3)和步骤4)； d)重复工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面积被雾化液滴均匀涂覆。
5.如权利要求1所述的方法，其中，当所述基片的所需涂覆面积大于单次喷射面积时， 进一步包括以下工序 a)停止所述载气流场的气体流动和所述雾化； b)调节所述基片的位置，所述基片运动到待喷雾位置后，停止运动； c)依次进行步骤2)、步骤3)和步骤4)； d)重复工序a)、工序b)和工序c)至所述基片的所需涂覆面积被雾化液滴均匀涂覆。
6.如权利要求1所述的方法，其中，步骤2)中所述载气流场的方向为垂直向上，所述载气流场中为连续的流动气体，或为随时间周期性波动的流动气体。
7.如权利要求1所述的方法，其中，步骤3)所述的雾化为连续地形成纳米材料雾化液滴，或随时间周期性地形成纳米材料雾化液滴。
8.一种基片强适应性纳米材料均匀化成膜装置，其特征在于，包括液体样品容器、超声雾化器、向上气流发生器、系统状态控制器，其中，所述超声雾化器设置在所述液体样品容器内部，将所述液体样品容器内部盛放的纳米材料混合液或纳米材料溶液雾化，形成纳米材料雾化液滴；所述向上气流发生器包括导流通道、压差驱动器和雾化液滴射流喷口 ；所述压差驱动器与所述液体样品容器的侧部相连，或位于所述样品容器内部，或位于所述导流通道内部，或与所述导流通道顶部相连，所述压差驱动器在所述纳米材料混合液或纳米材料溶液上方的气体中，制造载气流场；所述导流通道位于所述液体样品容器上部，与所述液体样品容器的顶部相连，在所述导流通道内部，所述载气流场带动所述雾化液滴垂直向上移动至所述雾化液滴射流喷口，使所述雾化液滴竖直向上地喷射到基片表面；所述系统状态控制器与所述液体样品容器、所述超声雾化器及所述向上气流发生器均不连通，或位于所述导流通道内部，或与所述导流通道的侧部相连，通过所述系统状态控制器调节所述基片的位置，使所述基片表面被所述雾化液滴均匀涂覆。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述的系统状态控制器包括位移系统，所述位移系统使用步进电机、伺服电机或气缸提供动力。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述的系统状态控制器包括加热系统，所述加热系统使用正温度系数加热器或远红外加热器作为热源。
全文摘要
本发明公开了一种基片强适应性纳米材料均匀成膜方法，包括步骤制备纳米材料混合液或纳米材料溶液；制造载气流场；形成纳米材料雾化液滴；载气流场带动纳米材料雾化液滴竖直向上地喷射到基片表面。本发明还公开了一种基片强适应性纳米材料均匀化成膜装置，包括液体样品容器、超声雾化器、向上气流发生器、系统状态控制器。本发明能够通过制造均匀的载气流场，实现均匀的雾化液滴流，极大地提高了基片表面雾化液滴的覆盖均匀性，从而提高纳米材料的成膜均匀性，更好地实现了对成膜厚度的控制。此外，本发明所述方案对操作环境、基片类型、纳米材料的类型等因素具有很好的适应性。
文档编号B81C1/00GK103043601SQ20131000107
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者侯中宇, 房茂波 申请人:上海交通大学