一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法技术

本发明专利技术提供了一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法，属于激光加工技术领域，包括：S1配置光固化前驱体，该光固化前驱体包括材料单体、交联剂、光敏剂和引发剂，材料单体、交联剂、光敏剂和引发剂的质量比为1：(0.1～0.9)：(0.05～0.8)：(0.01～0.1)，材料单体为能与金属离子形成配位键的有机化合物，S2利用激光直写方式在光固化前驱体中成形预定义的微纳三维结构，并将其浸入金属离子溶液中吸附金属离子，S3将吸附金属离子的预定义的微纳三维结构进行化学还原，S4对化学还原后的预定义的微纳三维结构退火。本发明专利技术方法能提高金属微纳3D打印制造的速度，产品致密度和精度，可以实现多种金属材料的打印。种金属材料的打印。种金属材料的打印。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法


[0001]本专利技术属于激光加工
，具体地，涉及一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法，更具体地，涉及一种可以吸附金属离子的新型光固化前驱体和利用超快激光直写的微纳金属3D打印的加工方法。

技术介绍

[0002]随着微纳技术的不断发展，金属微纳结构与器件由于其优异的物理和化学性能在电子学、微机电系统(MEMS)、表面增强拉曼散射(SERS)等领域有着广泛的应用。金属微纳结构在空间上的小尺寸优势契合了光子、电子器件微型化、集成化的发展趋势，对减小器件尺寸、降低器件功耗、提高器件效能具有重要意义。同时，金属微纳结构作为器件的基本组成部分，其本身的特性直接影响器件的性能，例如散射增强效应和非线性效应等。对这些新颖效应的探索不仅可以用于提升器件性能，也能够催生出一系列具有全新原理、更多功能的光电集成芯片、MEMS、微纳传感和能源器件等。
[0003]目前，金属微纳3D打印技术主要包括丝网印刷、墨水印刷、电化学沉积以及激光诱导光还原等。使用丝网印刷的方法来构造金属微纳结构，具有工艺简单、成本较低、可重复性高以及易图案化沉积的优点，但是，丝网印刷的过程中需要使用到掩膜板，不可避免的有掩膜模式固定、使用寿命较短的问题。此外，由于丝网印刷图案的分辨率取决于掩膜板的精细度，限制了丝网印刷图案的分辨率进一步提升。
[0004]喷墨印刷作为一种大面积、低成本、无需掩膜板和无污染的技术，在电子制造方面有广泛的应用。但是，目前的喷墨打印过程中所使用的印刷用功能墨水仍存在许多的问题，如导电材料的种类单一、对墨水材料的黏度要求较高等。此外，喷墨打印由于其印刷图案的分辨率很大程度依赖于喷嘴的尺寸，阻碍了印刷图案分辨率的进一步提高，而且其在进行复杂三维微纳金属结构成形时比较困难。
[0005]电化学沉积技术是一种利用还原反应生成的金属原子排列成三维结构的加工方法，在加工的过程中不需要额外的热源，因此其沉积层内的热应力比较小，加工的表面质量比较好，而且在电化学沉积的过程中是以金属离子为主进行材料转移，能够达到微纳精度的优势，可以实现微纳结构的三维制造。但是，电化学沉积的速度比较缓慢，仅为数微米每秒，且由于电化学还原的金属离子成核的不可控性导致微纳结构的成形质量较差。目前，对于无掩膜定域沉积进行三维结构的增材制造的三维结构形状比较单一，大部分都是柱状结构以及多柱状的组合结构。
[0006]超快激光直写技术能够以无掩膜的方式实现二维图案以及三维结构的制备。通过超快激光直写技术不仅可以满足高效高精度的加工要求，还可以降低加工的成本。除此之外，超快激光直写技术可以实现从纳米到毫米跨尺度的大面积加工制备。因此，超快激光直写技术正成为未来微纳制造的重要手段。目前，使用超快激光直写技术进行金属微纳制造主要是基于激光诱导光还原的原理。例如，公开号为CN 113005433 A的中国专利申请中提出的光致材料沉积方法，通过将由光酸、金属盐或金属离子组成的第一溶液与由光敏还原
剂组成的第二悬浮液混合，并且在衬底上滴加试剂，在激光光源的焦点处形成沉积；在专利US 20120160058A1中，通过激光束照射在分散于材料中的金属络合物离子分散体上，以使金属络合物离子还原的方法制造金属三维微纳结构。但是，以上两种方法均有打印速度慢的问题。期刊文献《Two
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photon
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induced reduction of metal ions for fabricating three
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dimensional electrically conductive metallic microstructure》(APPLIED PHYSICS LETTERS)中公开一种基于金属粒子水溶液的直接光还原的方法，通过对硝酸银或者四氯金酸的水溶液进行双光子诱导还原来制造2D图案和独立桥的模型。然而，由于写入过程中的局部加热引起的扩散和聚集问题，产生大量气泡，从而扭曲了生成的结构，造成金属颗粒粒径不均匀，结构表面十分粗糙。尽管作者通过使用表面活性剂作为颗粒生长抑制剂可以改善微纳结构的表面粗糙度并且实现了120nm分辨率的银纳米结构，但是，由于表面活性剂的加入使微纳结构更容易产生氧化或者硫化，导致其性能降低。
[0007]下表中详细的列出了部分技术的主要不足
[0008][0009]总的来说，目前的金属微纳3D打印器件仍面临以下挑战：(1)用于金属微纳制造的材料种类过于单一，尤其是缺乏具有普适性的多种金属的材料体系；(2)目前进行金属微纳制造的技术中金属结构的分辨率较低，金属微纳3D结构的表面比较粗糙，无法满足进行微纳制造时对于结构的精度控制要求；(3)金属粒子致密度较低，导致成形的微纳结构松散，无法满足微纳器件的需求；(4)金属微纳3D结构造型较困难，并且打印速度较慢(＜10μm/s)，无法满足未来规模化应用的要求。
[0010]为了解决先行技术中存在的分辨率比较低、导电材料的选择有限、速度缓慢及结构松散等关键问题，需要开发一种新型的金属微纳3D打印方法。

技术实现思路

[0011]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法，其设计出先打印配置的前驱体材料、后进行金属离子吸附的工艺路线，本专利技术方法能提高金属微纳3D打印制造的速度，还能提高产品致密度和精度，表面精良，本专利技术方法适用范围广。
[0012]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法，其包括如下步骤：
[0013]S1：配置光固化前驱体，该光固化前驱体包括材料单体、交联剂、光敏剂和引发剂，材料单体、交联剂、光敏剂和引发剂的质量比为1：(0.1～0.9)：(0.05～0.8)：(0.01～0.1)，材料单体为能与金属离子形成配位键的有机化合物，
[0014]S2：利用激光直写方式在光固化前驱体中成形预定义的微纳三维结构，并将制造的预定义微纳三维结构浸入金属离子溶液中，进行金属离子吸附，
[0015]S3：将吸附金属离子的预定义的微纳三维结构进行化学还原，
[0016]S4：对化学还原后的预定义的微纳三维结构退火，获得金属微纳结构。
[0017]进一步的，步骤S1中，材料单体选自乙烯基吡咯烷酮、三丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基嘧啶、丙烯酰胺、乙烯基吡嗪和1
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乙烯咪唑的一种或者多种。
[0018]进一步的，步骤S2中，将制造的预定义微纳三维结构浸入金属离子溶液中进行金属离子吸附具体为：将制造的预定义微纳三维结构置于含有金属盐的溶液中进行浸泡，浸泡时间为1～12h，优选时间为4h，然后，用去离子水或者乙醇去除多余的含有金属盐的溶液，优选的溶液是去离子水。
[0019]进一步的，金属盐选自氯金酸，硝酸银，硫酸铜，氯化镍，氯化锌，氯铂酸，氯化铁，氯化钴，硫酸锰，氯化钛和氯化锆中的一种或者多种。
[0020]进一步的，步骤S3中，将吸附金属离子的预定义的微纳三维结构进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：配置光固化前驱体，该光固化前驱体包括材料单体、交联剂、光敏剂和引发剂，材料单体、交联剂、光敏剂和引发剂的质量比为1：(0.1～0.9)：(0.05～0.8)：(0.01～0.1)，材料单体为能与金属离子形成配位键的有机化合物，S2：利用激光直写方式在光固化前驱体中成形预定义的微纳三维结构，并将制造的预定义微纳三维结构浸入金属离子溶液中，进行金属离子吸附，S3：将吸附金属离子的预定义的微纳三维结构进行化学还原，S4：对化学还原后的预定义的微纳三维结构退火，获得金属微纳结构。2.如权利要求1所述的一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法，其特征在于，步骤S1中，材料单体选自乙烯基吡咯烷酮、三丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基嘧啶、丙烯酰胺、乙烯基吡嗪和1
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乙烯咪唑的一种或者多种。3.如权利要求2所述的一种基于激光直写的金属微纳3D打印方法，其特征在于，步骤S2中，将制造的预定义微纳三维结构浸入金属离子溶液中进行金属离子吸附具体为：将制造的预定义微纳三维结构置于含有金属盐的溶液中进行浸泡，浸泡时间为1～12h，优选时间为4h，然后，用去离子水或者乙醇去除多余的含有金属盐的溶液，优选的溶液是去离子水。4.如权利要求2或者3所述的一种基于激光直写的金属微纳3...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊伟，韩涛，邓春三，薛松岩，胡化策，高辉，邓磊敏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：