寧波材料所在彎液面限域電化學直寫機制方面取得新進展
高質量金屬微納米線陣列在微執(zhí)行器、微傳感器以及透明導電方面有著重要應用，而現(xiàn)有微納加工技術如光刻、激光誘導沉積、蘸筆納米直寫技術等在金屬微納結構復雜性和物理性能等方面還存在很大的不足。中科院寧波材料所增材制造研發(fā)團隊圍繞彎液面限域電化學沉積（MCED, Meniscus-confined electrodeposition）工藝，系統(tǒng)研究了彎液面內傳質和電化學沉積機理，開發(fā)了一種新型的電場驅動動態(tài)沉積技術，打破了MCED工藝只能在導電基底上沉積線狀微結構的限制，使3D微打印微納功能器件向系統(tǒng)級加工和集成方向發(fā)展。
研究團隊在研究的過程中發(fā)現(xiàn)了控制動態(tài)掃描和沉積過程的新機制，完整的動態(tài)電沉積過程由彎液面表面及內部的傳質過程和遵守法拉第電解定律的局域電沉積過程協(xié)同作用實現(xiàn)。其中，彎液面表面和內部的傳質過程還包括復雜的溶劑揮發(fā)誘導離子遷移jw和表面張力梯度作用下的反向Marangoni流jp，如圖1所示。通過理論分析和實驗驗證，團隊成員獲得了控制沉積結構尺寸和形貌的數(shù)學模型。
圖1 電場驅動動態(tài)沉積（彎液面穩(wěn)定）機制
與此同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，在不同基底上動態(tài)電浸潤過程與常規(guī)的浸潤性呈相反趨勢，如圖2所示。由于動態(tài)電浸潤作用，疏水性的金基底沉積線寬明顯高于親水性的玻璃基底。該浸潤性也明顯影響圖1所示的“咖啡環(huán)”效應。特別是在較高打印速率下，由于咖啡環(huán)效應的發(fā)生，在導電基底上微米銅帶出現(xiàn)明顯的高度波動和滑移，而在非導電基底上則形成串珠狀結構。
圖2 動態(tài)電浸潤測試原理圖及在不同基底上的動態(tài)接觸角
通過橫向MCED直寫制備的銅微米線具有納米晶結構，具有超高導電率（15700S/cm），遠優(yōu)于通過傳統(tǒng)方法如FIB-CVD或靜電紡絲等制備的金屬線。基于其優(yōu)良性能，研究人員將制備的銅微米線用作連接線穩(wěn)定驅動LED燈，開發(fā)了橫豎向相結合的三維風速傳感器演示器件，如圖3所示。
圖3 銅微米線的電性能及其應用
相關工作已在國際著名期刊（J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 2380-2387； Nanoscale 2017, 9, 12524-12532.）上發(fā)表；上述研究工作得到國家自然基金委（No.11574331&11674335），寧波市科技局（No.2016B10005&2015B11002）等的支持。
(納米事業(yè)部 張顯云 郭建軍)