一種采用靜電噴射法制備致密薄膜的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納光電子器件中薄膜制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于雙噴頭或多噴頭靜電噴射法制備無開裂且致密的薄膜的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]液相法是制備氧化硅等薄膜的常見技術(shù)，具有成本低廉、操作簡便、可用于柔性基底等突出優(yōu)點(diǎn)，隨著太陽能電池和柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，液相法薄膜制備近年來受到越來越高的重視，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子、光學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)及復(fù)合材料的制備等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]在使用液相法制備薄膜的過程中提拉法和旋涂法是常見的兩種鍍膜手段。目前常見的液相法制備氧化硅薄膜是利用溶膠凝膠法先生成氧化硅溶膠，再利用旋涂法、浸漬提拉法、單噴頭靜電噴射法等在基底表面生成二氧化硅薄膜。具體的方法:在一定的溫度下，利用氧化硅先驅(qū)體溶液:正硅酸乙酯(TEOS)和另一種反應(yīng)物去離子水在溶劑無水乙醇中進(jìn)行水解縮聚反應(yīng)，同時(shí)用酸或堿作為催化劑。待二氧化硅溶膠生成后，密封靜置一段時(shí)間后，用不同的涂敷方法在基底表面鍍制氧化硅薄膜，并做一些后期熱處理將有機(jī)物和水揮發(fā)，從而的純的氧化硅薄膜，但會(huì)存在薄膜易開裂的問題。究其原因，是因?yàn)樘崂ê托糠ǘ际窃诒∧ね坎记?，先?qū)體反應(yīng)物就已經(jīng)進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)生成了一定的液相，這樣會(huì)導(dǎo)致在液相中生成反應(yīng)物的微小顆?；蚱渌⒓{結(jié)構(gòu)，這些微小顆?；蚱渌⒓{結(jié)構(gòu)的尺寸通常在幾十納米到幾個(gè)微米量級，相較于先驅(qū)體反應(yīng)物本身的分子原子顆粒要大幾個(gè)數(shù)量級，從而在薄膜中很難較好地連接在一起，十分不利于最終得到致密薄膜，所生成的薄膜也容易開裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、操作簡單、可重復(fù)性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、可大面積制備薄膜的基于雙噴頭或多噴頭靜電噴射法制備薄膜的新方法和設(shè)備，制備的薄膜不易開
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[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種采用靜電噴射法制備薄膜的方法，采用至少兩個(gè)噴頭向同一個(gè)基底或收集裝置上噴射至少兩種先驅(qū)體，所述先驅(qū)體在基底或收集過程中相遇后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成薄膜。
[0006]較佳地，所述噴頭同時(shí)向基底或收集裝置上噴射先驅(qū)體或者所述噴頭依次向基底或收集裝置上噴射先驅(qū)體。例如噴頭A在基底表面噴射一種先驅(qū)體反應(yīng)物后即挪開，噴頭B再在噴頭A噴過的地方噴射另一種先驅(qū)體反應(yīng)物；噴頭A和噴頭B也可以位置相對固定同時(shí)噴射先驅(qū)體反應(yīng)物，選擇運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行噴射，使得噴頭A和噴頭B噴射的區(qū)域重疊，重疊區(qū)先驅(qū)體反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)后生成薄膜。噴頭和基底或收集裝置之間的相對運(yùn)動(dòng)方式可以是直線、圓、螺旋、矩形等軌跡。
[0007]較佳地，在噴頭噴射先驅(qū)體的過程中移動(dòng)噴頭的位置，使得基底或收集裝置上沉積的薄膜均勻。
[0008]較佳地，在噴頭噴射先驅(qū)體的過程中移動(dòng)基底或收集裝置的位置，使得基底或收集裝置上沉積的薄膜均勻。
[0009]較佳地，噴頭與基底或收集裝置的相對位置可調(diào)，通過調(diào)節(jié)相對位置使得基底或收集裝置上沉積的薄膜均勻。
[0010]較佳地，噴頭之間的間距可調(diào)，通過調(diào)節(jié)噴頭之間的間距可生成不同微觀結(jié)構(gòu)或不同組分比例的薄膜。
[0011]較佳地，采用兩個(gè)噴頭分別正硅酸乙酯和去離子水。
[0012]本發(fā)明還提出一種采用靜電噴射法制備薄膜的設(shè)備，包括可三維移動(dòng)的機(jī)械平臺；至少兩個(gè)靜電噴射用噴頭固定在機(jī)械平臺上，所述噴頭在機(jī)械平臺的帶動(dòng)下在運(yùn)動(dòng)；所述噴頭用于分別盛裝不同的制備薄膜所需的先驅(qū)體。
[0013]進(jìn)一步，噴頭之間的位置以及噴頭的運(yùn)動(dòng)軌跡可以調(diào)整。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，(I)通過雙噴頭或多個(gè)噴頭噴射不同先驅(qū)體到基底或收集裝置上進(jìn)行反應(yīng)生成所需要的薄膜，可以有效地控制反應(yīng)地點(diǎn)和時(shí)間，避免了常見的溶膠-凝膠法中反應(yīng)在先驅(qū)體中已經(jīng)產(chǎn)生從而所生成的薄膜易開裂的問題；
(2)本發(fā)明操作簡單、可重復(fù)性強(qiáng)；(2)可在室溫或不同溫度下進(jìn)行；(3)適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；(4)可在柔性襯底材料表面鍍膜；(5)成本低；(6)無需高溫高壓即可制備同一種材料的不同納米結(jié)構(gòu)等。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明基于靜電噴射法制備氧化硅薄膜的原理示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明采用兩個(gè)靜電噴頭制備氧化硅薄膜的示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明采用多個(gè)靜電噴頭制備氧化硅薄膜的示意圖。
[0018]圖4試驗(yàn)中分別基于浸漬提拉法、旋涂法、單噴頭的靜電噴射法、本發(fā)明所述雙噴頭的靜電噴射法制備的氧化硅薄膜的掃描電鏡圖，四個(gè)掃描電鏡圖分別對應(yīng)圖中的a、b、c、
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【具體實(shí)施方式】
[0019]容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明采用靜電噴射法制備致密薄膜的方法和設(shè)備的多種實(shí)施方式。因此，以下【具體實(shí)施方式】和附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。
[0020]本發(fā)明采用雙噴頭或多噴頭靜電噴射法進(jìn)行鍍膜時(shí)，把不同先驅(qū)體反應(yīng)物分別通過雙噴頭或多噴頭導(dǎo)入，讓不同先驅(qū)體反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)在基底或收集裝置中進(jìn)行，這樣就有效地避免了先驅(qū)體中微小顆?；蚪Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，容易得到高質(zhì)量的致密無開裂的薄膜。靜電噴射是一種利用靜流體動(dòng)力學(xué)原理使液體彌散產(chǎn)生細(xì)小液滴噴霧的方法，J.R.Melcher和G.1.Taylor等提出的泄漏介質(zhì)模型對其基本物理過程有詳細(xì)解釋。該方法已經(jīng)在大生物分子質(zhì)譜儀、工業(yè)噴涂、精細(xì)紡織、納米制造技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。靜電噴射的模式一般可分為液滴模式(droplet mode)、單射流模式(single-jet mode)和多射流模式(mult1-jet mode) 0隨著電壓增加，液滴變?yōu)閱紊淞髯詈笞優(yōu)槎嗌淞鳎谥颇さ倪^程中，采用多射流。噴頭距離基板的高度會(huì)影響細(xì)小液滴的分布，距離小時(shí)，薄膜顆粒緊密堆積形成薄膜；距離大時(shí)，薄膜顆粒分布的很寬泛，間距很大。注射液體的流量會(huì)影響薄膜粒子的分布，流量越大，基底表面的顆粒分布越緊密。噴射時(shí)間越久，薄膜越厚，如果時(shí)間過久，有可能會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，可控厚度范圍:幾十納米-幾微米。
[0021]本發(fā)明的基本原理如圖1所示，包括對至少兩個(gè)噴頭2，不同的先驅(qū)體反應(yīng)物I分別放置在不同的噴頭2中，由高壓直流電源3為不同的噴頭2加電，從而由噴頭2將先驅(qū)體反應(yīng)物I以錐狀噴射流4的形式噴出，并噴射在放置在加熱平臺6的基底5上，噴射在基底5上的不同先驅(qū)體反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成薄膜。加熱平臺6 —端接地7。
[0022]實(shí)施例
[0023]使用多個(gè)噴頭制備所需薄膜時(shí)，如圖2所示，搭建XY精密機(jī)械平臺，可三維任意移動(dòng)；固定多個(gè)靜電噴射用噴頭在機(jī)械平臺上，噴頭另一端有液體注射管和用于傳輸高壓電的導(dǎo)線，高壓電對注射的先驅(qū)體反應(yīng)物液體施加高壓直流靜電，使得從噴頭滴落的液滴帶電，當(dāng)液滴中的分子帶上同性電荷后，會(huì)開始相互排斥，靜電力大于液滴表面張力后，最后分裂成無數(shù)的細(xì)小的液滴，從而噴射出來形成多射流。多個(gè)噴頭間的相對位置根據(jù)鍍膜需要決定，距離不同，可在基底表面形成不同的薄膜結(jié)構(gòu)，如平整致密的薄膜、顆粒有序堆積的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜等；機(jī)械平臺按照設(shè)定的路程帶動(dòng)多個(gè)噴頭同時(shí)相對基底運(yùn)動(dòng)，同時(shí)用高壓靜電從多個(gè)噴頭同時(shí)噴射出給定流量的先驅(qū)體到基底上，從而在基底上鍍制薄膜。
[0024]結(jié)合圖3，使用本發(fā)明所述雙噴頭的靜電噴射法制備氧化硅薄膜。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在百級超凈間內(nèi)進(jìn)行。首先在搭建三維移動(dòng)平臺，保持并對平臺控制端輸入相應(yīng)的程序完成既定路程的設(shè)置；將兩個(gè)噴頭固定在平臺上，使間距為3cm ;將實(shí)驗(yàn)裝置所需的小設(shè)備如高壓直流電源、注射栗、加熱平臺等相應(yīng)的放入各自的位置，連接好相應(yīng)的電源線；溶液的配置:按照比例，在一個(gè)潔凈的玻璃試劑瓶注入適量的無水乙醇溶液，再量取相應(yīng)的正硅酸乙酯注入其中，在另一個(gè)潔凈的玻璃試劑瓶里注入一定的無水乙醇，量取相應(yīng)的反應(yīng)物去離子水和催化劑加入其中，各自充分混合；調(diào)節(jié)參數(shù):注射流量、電壓、噴頭距離底部的高度、鍍膜時(shí)間、噴頭移動(dòng)速度和軌跡、基底加熱溫度等參數(shù)。具體的參數(shù)如下:兩個(gè)噴頭的液體注射流量均為60ul/m ;電壓均為12KV ;噴頭距離底部的高度均為6cm ;鍍膜時(shí)間為5min。由于兩個(gè)噴頭內(nèi)的液體分別是用于水解縮聚反應(yīng)的兩個(gè)反應(yīng)物TEOS和去離子水，所以利用兩個(gè)噴頭實(shí)現(xiàn)一邊噴射一邊在加熱的基底表面發(fā)生反應(yīng)。試驗(yàn)中還分別基于浸漬提拉法、旋涂法、單噴頭的靜電噴射法。前述四種方法獲得的氧化硅薄膜的掃描電鏡圖分別如圖4中a、b、c、d所示。由圖4可以明顯看出，本發(fā)明雙噴頭靜電噴射法制備的氧化硅薄膜平整致密，沒有裂紋或開裂，優(yōu)于其他方法。使用本發(fā)明制備氧化硅薄膜時(shí)，可以改變基板的溫度以得到不同結(jié)構(gòu)的氧化硅，如方形顆粒、線狀、棒狀、樹狀。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種采用靜電噴射法制備薄膜的方法，其特征在于，采用至少兩個(gè)噴頭向同一個(gè)基底或收集裝置上噴射至少兩種先驅(qū)體，所述先驅(qū)體在基底或收集過程中相遇后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備薄膜的方法，其特征在于，所述噴頭同時(shí)向基底或收集裝置上噴射先驅(qū)體。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備薄膜的方法，其特征在于，所述噴頭依次向基底或收集裝置上噴射先驅(qū)體。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備薄膜的方法，其特征在于，在噴頭噴射先驅(qū)體的過程中移動(dòng)噴頭的位置。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備薄膜的方法，其特征在于，在噴頭噴射先驅(qū)體的過程中移動(dòng)基底或收集裝置的位置。6.根據(jù)權(quán)利要求1制備薄膜的方法，其特征在于，噴頭與基底或收集裝置的相對位置可調(diào)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備薄膜的方法，其特征在于，噴頭之間的間距可調(diào)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備薄膜的方法，其特征在于，采用兩個(gè)噴頭分別正硅酸乙酯和去離子水。9.一種采用靜電噴射法制備薄膜的設(shè)備，其特征在于，包括可三維移動(dòng)的機(jī)械平臺；至少兩個(gè)靜電噴射用噴頭固定在機(jī)械平臺上，所述噴頭在機(jī)械平臺的帶動(dòng)下在運(yùn)動(dòng)；所述噴頭用于分別盛裝不同的制備薄膜所需的先驅(qū)體。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述采用靜電噴射法制備薄膜的設(shè)備，其特征在于，噴頭之間的位置以及噴頭的運(yùn)動(dòng)軌跡可以調(diào)整。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種采用靜電噴射法制備薄膜的方法，采用至少兩個(gè)噴頭向同一個(gè)基底或收集裝置上噴射至少兩種先驅(qū)體，所述先驅(qū)體在基底或收集過程中相遇后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成薄膜；所述噴頭同時(shí)向基底或收集裝置上噴射先驅(qū)體或者所述噴頭依次向基底或收集裝置上噴射先驅(qū)體；噴頭之間的間距可調(diào)；噴頭與基底或收集裝置的相對位置可調(diào)。本發(fā)明低成本、操作簡單、可重復(fù)性強(qiáng)、制備的薄膜不易開裂。
【IPC分類】B05B13/04, B05D1/04
【公開號】CN105289946
【申請?zhí)枴緾N201510829620
【發(fā)明人】顧文華, 許波晶, 倪代紅, 易武明
【申請人】南京理工大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月25日