一种纳米梁结构的打印制造方法与流程

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本发明属于先进制造技术领域，涉及一种纳米梁结构的打印制造方法。

背景技术：

纳米器件具有高灵敏度、低功耗、高集成等突出性能，在能源、环境、生物、医疗等方面具有广泛应用前景，如高灵敏纳米线传感器、高容量纳米存储器、高开关比纳米晶体管等。在纳米器件结构中，纳米简支梁、纳米悬臂梁等梁结构具有大比表面积、高敏感度、易于激发等优点，已成为高性能纳米器件的重要结构。目前纳米梁结构的制作方法主要有晶体生长法和转移法。晶体生长法是指借助激光烧、水解、电化学沉积等工艺，分别在相邻两个衬底上纵向生长纳米线，当两衬底上的纳米线生长到一定高度后，上端发生相互接触，以搭接的方式在两衬底之间形成纳米梁结构。此方法制备的纳米梁形状和尺寸一致性差，搭接处强度低导致形成的纳米器件可靠性差，此外该方法效率低、可控性差。转移法是指将晶体生长法、电子束等工艺制备的纳米线通过精密操作工艺转移到预制沟道的衬底上，形成纳米梁结构。转移法制备纳米梁工艺复杂、周期长、设备昂贵、效率低，转移得到的纳米梁端部需要等离子诱导沉积等工艺进行固定。

技术实现要素：

本技术为了克服上述纳米梁制造技术的不足，发明一种纳米梁结构的打印制造方法。采用同轴流体，内层流体为功能材料，外层流体为高粘度材料，在电场-流场复合作用下，内层和外层流体分别形成纳米级和微米级的同轴包裹射流，在预制支撑体衬底上打印线型包裹结构，并同时施加热场作用，内层纳米结构和外层高粘度流体在热场作用下分别固化和半固化，半固化外层高粘度液体起到对内层纳米梁的支撑作用，最后将外层高粘度包裹材料去除，得到仅由内层功能材料构成的纳米梁。

本发明的技术方案：

一种纳米梁结构的打印制造方法，首先将内层功能液体与外层高粘度液体输送至同轴打印喷头，然后在同轴喷头上施加一定电压，电场力同时作用于同轴内、外层液体，外层液体锥-射流形变产生的粘滞力与内层液体的电场剪切力叠加，共同作用于内层液体，内层和外层流体形成纳米级和微米级的包裹射流，将包裹同轴射流打印到预制支撑体的衬底上，并同时施加热场作用，内层纳米结构和外层高粘度流体在热场作用下分别固化和半固化，半固化外层高粘度液体起到对内层纳米梁的支撑作用，然后将外层高粘度包裹材料去除，在预制支撑体的衬底上形成仅由内层功能材料构成的纳米梁结构。

一种纳米梁结构的打印制造方法，步骤如下：

(1)衬底制备

纳米梁结构分为悬臂梁和简支梁，根据纳米梁制备衬底；悬臂梁对应的衬底为耐高温平板结构；简支梁对应的衬底为开有所需深宽比沟槽的耐高温平板结构，沟槽是借助光刻、刻蚀、离子束等微纳加工工艺制备得到；在衬底上，利用磁控溅射、蒸镀、电铸等工艺制备导电涂层，作为纳米梁的电极；

(2)同轴射流的形成

根据纳米梁结构材质的需求，将内层功能材料与外层高粘度材料分别通过微量注射泵注入同轴打印喷头，同轴打印喷头与高压电源相连，调节内层材料流量在1pl/min-5pl/min、外层材料流量在100nl/min-150nl/min、电压在500v-1000v、喷头与衬底间距在500μm-1mm之间，在同轴打印喷头出口处形成由内层功能材料与外层高粘度材料组成的同轴稳定射流；

(3)纳米梁结构的打印成型

通过真空吸附装置将衬底固定于运动平台上，同轴喷头垂直衬底，以80mm/s-100mm/s速度移动运动平台，由内层功能材料与外层高粘度材料组成的同轴稳定射流打印在衬底上，同轴包裹射流打印到衬底上形成线型包裹结构，包裹结构的内层功能材料与外层高粘度材料在热场作用下分别固化与半固化，半固化外层高粘度材料起到对内层纳米梁的支撑作用，利用热解或溶液溶解方式将外层高粘度包裹材料去除，在衬底上形成仅由内层功能材料构成的悬臂纳米梁或简支纳米梁结构。

本发明的有益效果：采用同轴聚焦射流打印制造纳米梁，内层流体为功能材料，外层流体为高粘度材料，在电场-流场复合作用下，内层和外层流体分别形成纳米级和微米级的同轴包裹射流，在预制支撑体衬底上打印线型包裹结构，然后将外层包裹材料去除，获得仅由内层功能材料构成的纳米梁结构。同轴聚焦射流打印方法制造纳米梁结构具有工艺简单、一致性高、可批量制造等优点，为高性能纳米梁器件的低成本、快速制造提供有效手段。

附图说明

图1为打印装置示意图。

图2为打印制造纳米梁工艺流程图。

图中：1x-y运动平台；2高压电源；3同轴打印喷头；4微量注射泵；

5微量注射泵；6带支撑体衬底；7同轴锥-射流；8外层微米级包裹结构；

9内层纳米级功能结构；10纳米梁。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。实施例主要包括衬底制备与纳米梁结构打印制造。

实施例的具体实施步骤如下：

1、衬底制备

将单面抛光的单晶硅片在管式炉中氧化3.5小时后利用光刻、湿法刻蚀等微纳加工工艺在其表面制备出宽度20μm，深度5μm的沟道用于打印纳米简支梁；之后利用光刻、磁控溅射等工艺在沟道两侧支撑体上部沉积一对厚度为200nm的矩形铂金电极。

2、同轴射流的形成

将选定的内层功能材料与外层高粘度材料分别通过微量注射泵(4)、(5)注入到同轴打印喷头(3)，同轴打印喷头与高压电源(2)相连，调节内层材料流量为2pl/min、外层材料流量为1nl/min、电压600v、喷头-衬底间距600μm，在同轴打印喷头出口处即可形成由内层功能材料与外层高粘度材料组成的稳定同轴锥-射流(7)。

3、纳米梁结构的打印成型

通过真空吸附装置将预制支撑体衬底(6)固定于运动平台(1)上，同轴喷头垂直预制支撑体衬底，通过运动平台移动(100mm/s)，由内层功能材料与外层高粘度材料组成的同轴稳定射流打印在预制支撑体衬底上，同轴包裹射流打印到衬底上形成线型包裹结构，包裹结构的纳米级内层功能材料(9)与微米级外层高粘度材料(8)在热场作用下分别固化与半固化，半固化外层高粘度材料起到对内层纳米梁的支撑作用，利用热解的方式将外层高粘度包裹材料去除，在两支撑体之间形成仅由内层功能材料构成的简支纳米梁结构(10)。

本发明提出一种纳米梁结构的打印制造方法。采用同轴聚焦射流打印制造纳米梁，内层流体为功能材料，外层流体为高粘度材料，在电场-流场复合作用下，内层和外层流体分别形成纳米级和微米级的同轴包裹射流，在预制支撑体衬底上打印线型包裹结构，然后将外层包裹材料去除，获得仅由内层功能材料构成的纳米梁结构。同轴聚焦射流打印方法制造纳米梁结构具有工艺简单、一致性高、可批量制造等优点，为高性能纳米梁器件的低成本、快速制造提供有效手段。

技术特征：

技术总结

本发明属于先进制造技术领域，一种纳米梁结构的打印制造方法，将内层功能液体与外层高粘度液体输送至同轴打印喷头，在同轴喷头上施加电压，电场力同时作用于同轴内、外层液体，外层液体锥‑射流形变产生的粘滞力与内层液体的电场剪切力叠加，共同作用于内层液体，内层和外层流体形成纳米级和微米级的包裹射流，将包裹同轴射流打印到预制支撑体的衬底上，并同时施加热场作用，内层纳米结构和外层高粘度流体在热场作用下分别固化和半固化，然后将外层高粘度包裹材料去除，在预制支撑体的衬底上形成仅由内层功能材料构成的纳米梁结构。本发明的方法具有工艺简单、一致性高、可批量制造等优点，为高性能纳米梁器件的低成本、快速制造提供有效手段。