用于在基底上气雾剂沉积纳米颗粒的装置和方法制造方法及图纸

提供了一种用于在基底上气雾剂沉积纳米颗粒的装置。所述装置包括：用于产生微米级液滴的气雾剂的气雾剂发生器，每个液滴具有有限数量的纳米颗粒；和用于从气雾剂发生器接收气雾剂的沉积室。所述沉积室具有用于将气雾剂中的液滴吸引到基底的静电场。所述静电场与基底基本上垂直。该装置允许在基底上将纳米颗粒的膜/网络图案化至亚毫米特征尺寸，这允许制造可印刷电子器件应用的晶体管器件。还提供了在基底上沉积纳米颗粒的方法以及具有此类纳米颗粒的网络的材料。

Apparatus and method for aerosol deposition on nanoparticles on substrates

A device for depositing nanoparticles on a substrate is provided. The device includes a aerosol generator for generating a micron level droplet, with a limited number of nanoparticles per droplet, and a deposition chamber for receiving aerosols from a aerosol generator. The deposition chamber has an electrostatic field for attracting droplets in the aerosol to the substrate. The electrostatic field is basically perpendicular to the base. The device allows the film / network of nanoparticles to be patterned to submillimeter characteristic sizes on the basis of the substrate, which allows the manufacture of transistor devices for the application of printed electronic devices. Methods for depositing nanoparticles on substrates and materials with such nanoparticle networks are also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在基底上气雾剂沉积纳米颗粒的装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求2015年7月31日提交的加拿大专利申请2,899,255的优先权，并且要求2015年7月31日提交的美国临时专利申请62/199,675的权益，通过引用将它们的整体内容并入本文。专利
本专利技术大体涉及可印刷电子器件(electronics)。更具体地，本专利技术涉及用于在基底上气雾剂(aerosol)沉积纳米颗粒的装置和方法。专利技术背景能够使用常规印刷方法和装置在包括塑料卷材在内的各种表面上印刷电路的低成本和灵活性已经扩展了其中使用电子器件的可能环境。与传统的印刷方法类似，可印刷电子器件要求以限定的图案在表面上沉积墨汁(ink)。用于可印刷电子器件的墨汁包括功能电子材料或光学材料，例如具有碳纳米管的墨汁，当印刷形成网络时，该材料充当宏观晶体管沟道。碳纳米管具有优异的电性能，其中半导体单壁碳纳米管(SWCNT)在可印刷电子器件应用中充当高迁移率晶体管中的半导体沟道。在此类应用中，成千上万的碳纳米管铺设在表面上并形成电连接线的网络。在将基底浸泡在含有碳纳米管的溶液(或墨汁)中时这些网络易于形成。对于该网络不应覆盖整个表面而是被图案化至亚毫米特征尺寸的几种应用，需要印刷装置。存在几种用于沉积墨汁材料的技术，它们基本上分为两类：1)串行的，例如喷墨或气雾剂喷射；和2)并行的，如丝网印刷、凹版印刷和柔版印刷。然而，这些体系中的大多数不适用于超薄膜(即具有<10nm厚度的膜)，例如在碳纳米管网络晶体管中使用的那些膜。此外，本系统需要特定的墨汁配方，对其设计以便具有在设定窗口内的物理参数。然而，引入这些配方中的添加剂会严重劣化晶体管器件的电性能。另外，沉积的膜通常比晶体管操作所需的膜厚得多。因此，需要一种可用于将碳纳米管和其它类型的纳米颗粒组装成薄膜晶体管的网络的沉积系统。专利技术概述根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于在基底上气雾剂沉积纳米颗粒的装置。该装置包括：用于产生微米级液滴的气雾剂的气雾剂发生器，每个液滴包含有限数量的纳米颗粒；和用于从气雾剂发生器接收气雾剂的沉积室。沉积室具有用于将气雾剂中的各个液滴吸引到基底的静电场。静电场与基底基本上垂直。在一种实施方案中，该装置还包括具有平行或垂直于沉积基底的一个或几个开口的注射器喷嘴。在一种实施方案中，沉积室还包括位于气雾剂流和基底之间的镂空掩模(stencilmask)。在其它实施方案中，通过间隔的带电板提供静电场并且该基底位于接地板上。在另一实施方案中，带电板是带静电的绝缘体或电压偏置的导体。在又一实施方案中，对带电板进行图案化以便空间调制电场并促进纳米颗粒在基底上的特定位置处的沉积。在另一实施方案中，气雾剂以层流方式流动并且在空间上被设计以便在基底上的特定位置处提供纳米颗粒沉积。根据本专利技术的另一方面，提供了上述装置在制造纳米颗粒薄膜中的用途。在一种实施方案中，该装置用于薄膜晶体管的制造。在另一实施方案中，该装置用于导电电极、二极管、光伏电池、物理传感器或化学传感器的制造。导电电极可以是透明电极或不透明电极。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于在基底上沉积纳米颗粒的方法。该方法包括步骤：产生微米级液滴的气雾剂，每个液滴包含有限数量的碳纳米颗粒；和使气雾剂经受静电场，该静电场导致微米级液滴沉积在基底上。在一种实施方案中，该方法还包括在基底上沉积之前使微米级液滴穿过掩模的步骤。在另外的实施方案中，该方法还包括通过基底的图案化带电对基底上的纳米颗粒膜进行无掩模图案化。可通过间隔的带电板和位于接地带电板上的基底提供静电场。带电板可以是带静电的绝缘体或电压偏置的导体。可以使带电板图案化以便空间调制电场并且促进碳纳米管在基底上的特定位置处的沉积。在又一实施方案中，气雾剂以层流方式流动并且在空间上被设计以便在基底上的特定位置处提供纳米颗粒沉积。基底可以具有导电表面或介电表面。根据本专利技术的另一方面，提供了具有疏水表面和附着在该表面上的至少一种纳米颗粒的材料。在一种实施方案中，以网络提供多个纳米颗粒。这些纳米颗粒可以充当晶体管。在其它实施方案中，该表面具有大于80°的水接触角，例如基于聚(乙烯基苯酚)的电介质或基于聚四氟乙烯的电介质，例如XeroxTMDielectricxdi-d1.2(施乐TM电介质xdi-d1.2)或-AF(-AF)，或含氟聚合物，如无定形(非晶态)含氟聚合物在又一种实施方案中，提供该材料作为薄膜晶体管中的半导体。在其它实施方案中，该材料可以是导电电极、二极管、光伏电池、物理传感器或化学传感器。导电电极可以是透明电极或不透明电极。在上述专利技术中，基底是导电表面或介电表面。在一种实施方案中，基底具有至少部分导电的表面。在另一实施方案中，基底具有至少部分介电的表面。在一些实施方案中，该表面可以是亲水表面或疏水表面。在一种实施方案中，例如使用疏水表面来消除湿度的干扰，湿度可能混淆分析物的感测。在一种实施方案中，基底/材料是诸如例如没有湿度波动的物理或化学传感器的器件。在一种特定实施方案中，在这样的基底/材料的制造中使用本文描述的装置，其例如可以是薄膜晶体管，该薄膜晶体管具有所述基底/材料作为电介质或者作为电介质与SWCNT网络之间的界面处的涂层。这导致最小的迟滞，因为消除了SWCNT网络与大气水分之间的相互作用。在这样的器件或传感器中，可能产生的迟滞将主要来自SWCNT网络与期望的分析物之间的相互作用。这种材料特别有助于使相对湿度变化对传感器使用的影响最小化。在其它实施方案中，该基底具有大于80°的水接触角的表面，例如85°和120°之间，约90°或117-120°之间。在其它实施方案中，该表面可以是改性的氧化物表面，例如在SiO2、Al2O3、ZrO2或HfO2上的自组装单层。在其它实施方案中，该表面可以是聚合物的。聚合物可以是均聚物或共聚物，例如交替共聚物、周期性共聚物、统计共聚物、嵌段共聚物等。在其它实施方案中，聚合物可以是氟化的。氟化聚合物的一些实例包括但不限于：氟化聚烯烃、氟化聚丙烯酸酯、氟化聚甲基丙烯酸酯、氟化聚苯乙烯、氟化聚碳酸酯、氟化硅酮和氟化聚对苯撑二甲基聚合物(例如聚对二甲苯)。实例表面或聚合物包括但不限于：聚偏氯乙烯；聚偏氟乙烯；聚己二酰己二胺(尼龙66)；尼龙7；聚(十二烷-12-内酰胺)(尼龙12)；聚酰胺；醋酸纤维素；聚砜；聚甲基丙烯酸甲酯；聚乙酸乙烯酯；聚碳酸酯；聚苯乙烯；聚丙烯；聚酰亚胺；环氧树脂；聚对苯二甲酸乙二酯；硅酮；烯烃(链烯烃)；硝酸纤维素；超高分子量聚乙烯；聚氯丁二烯；聚氯乙烯；胶乳；丁基橡胶；聚四氟乙烯；和聚对苯撑二甲基聚合物(例如聚对二甲苯)。在一些实施方案中，疏水表面是基于聚(乙烯基苯酚)的电介质或基于聚四氟乙烯的电介质。在一些实施方案中，该表面是聚甲基倍半硅氧烷。在一些实施方案中，该表面是聚四氟乙烯；全氟乙烯基丙基醚-四氟乙烯共聚物；四氟乙烯-全氟(丙基乙烯基醚)共聚物；聚[四氟乙烯-共-全氟(烷基乙烯基醚)]；四氟乙烯/全氟(丙基乙烯基醚)共聚物；聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物；聚(四氟乙烯-共-四氟-乙烯全氟丙基醚)；与四氟乙烯的1,1,1,2,2,3,3-七氟-3-[(三氟乙烯基)氧基]丙烷聚合物；或1,1,1,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在基底上沉积纳米颗粒的装置，所述装置包括：气雾剂发生器，该气雾剂发生器用于产生微米级液滴的气雾剂，每个液滴包含有限数量的纳米颗粒；和用于从所述气雾剂发生器接收所述微米级液滴的沉积室，所述沉积室包含：用于将气雾剂中的液滴吸引到基底的静电场，其中所述静电场与基底基本上垂直。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.31 CA 2,899,255;2015.07.31 US 62/199,6751.一种用于在基底上沉积纳米颗粒的装置，所述装置包括：气雾剂发生器，该气雾剂发生器用于产生微米级液滴的气雾剂，每个液滴包含有限数量的纳米颗粒；和用于从所述气雾剂发生器接收所述微米级液滴的沉积室，所述沉积室包含：用于将气雾剂中的液滴吸引到基底的静电场，其中所述静电场与基底基本上垂直。2.根据权利要求1所述的装置，进一步包含具有平行或垂直于沉积基底的一个或几个开口的注射器喷嘴。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述沉积室还包括位于气雾剂流和基底之间的镂空掩模。4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其中每个微米级液滴包含小于5个纳米颗粒/液滴。5.根据权利要求4所述的装置，其中每个微米级液滴包含1个纳米颗粒/液滴。6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其中通过间隔的带电板提供静电场并且该基底位于接地板上。7.根据权利要求6所述的装置，其中带电板是带静电的绝缘体或电压偏置的导体。8.根据权利要求6所述的装置，其中对带电板进行图案化以空间调制电场并促进纳米颗粒沉积在基底上的特定位置处。9.根据权利要求1所述的装置，其中气雾剂以层流方式流动并且在空间上被设计以便在基底上的特定位置处提供纳米颗粒沉积。10.根据权利要求1-9任一项所述的装置，其中所述基底具有至少部分导电的表面。11.根据权利要求1-9任一项所述的装置，其中所述基底具有至少部分介电的表面。12.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述基底具有亲水或疏水的表面。13.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述基底的表面具有大于或等于80°的水接触角。14.根据权利要求13所述的装置，其中所述水接触角为85°-120°。15.根据权利要求14所述的装置，其中所述水接触角是约90°。16.根据权利要求14所述的装置，其中所述水接触角是117-120°。17.根据权利要求13所述的装置，其中所述表面是氟化聚合物。18.根据权利要求13所述的装置，其中所述表面选自于由如下构成的组：聚偏氯乙烯；聚偏氟乙烯；聚己二酰己二胺(尼龙66)；尼龙7；聚(十二烷-12-内酰胺)(尼龙12)；聚酰胺；醋酸纤维素；聚砜；聚甲基丙烯酸甲酯；聚乙酸乙烯酯；聚碳酸酯；聚苯乙烯；聚丙烯；聚酰亚胺；环氧树脂；聚对苯二甲酸乙二酯；硅酮；烯烃(链烯烃)；硝酸纤维素；超高分子量聚乙烯；聚氯丁二烯；聚氯乙烯；胶乳；丁基橡胶；聚四氟乙烯；和聚对苯撑二甲基。19.根据权利要求13所述的装置，其中所述表面是基于聚(4-乙烯基苯酚)的电介质或基于聚四氟乙烯的电介质。20.根据权利要求13所述的装置，其中所述表面是聚甲基倍半硅氧烷。21.根据权利要求13所述的装置，其中所述表面是：聚四氟乙烯；全氟乙烯基丙基醚-四氟乙烯共聚物；四氟乙烯-全氟(丙基乙烯基醚)共聚物；聚[四氟乙烯-共-全氟(烷基乙烯基醚)]；四氟乙烯/全氟(丙基乙烯基醚)共聚物；聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物；聚(四氟乙烯-共-四氟-乙烯全氟丙基醚)；与四氟乙烯的1,1,1,2,2,3,3-七氟-3-[(三氟乙烯基)氧基]丙烷聚合物；或1,1,1,2,2,3,3-七氟-3-[(三氟乙烯基)氧基]丙烷/四氟乙烯共聚物或氟化的聚对苯撑二甲基。22.根据权利要求1-21任一项所述的装置，其中所述纳米颗粒是氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、碳基或磷基纳米颗粒。23.根据权利要求22所述的装置，其中所述碳基纳米颗粒是纳米管、纳米棒、纳米球、纳米片或纳米带。24.根据权利要求1-21任一项所述的装置，其中所述纳米颗粒是单壁碳纳米管。25.权利要求1-24任一项所述的装置在纳米颗粒薄膜制造中的用途。26.根据权利要求25所述的用途，其中制造薄膜晶体管。27.权利要求1-24任一项所述的装置在二极管、导电电极、光伏电池、物理传感器或化学传感器制造中的用途。28.根据权利要求27所述的用途，其中所述导电电极是透明或不透明的电极。29.一种用于在基底上沉积纳米颗粒的方法，该方法包括步骤：产生微米级液滴的气雾剂，每个液滴包含有限数量的纳米颗粒；和使气雾剂经受静电场，该静电场导致微米级液滴沉积在基底上。30.根据权利要求29所述的方法，该方法还包括在基底上沉积之前使微米级液滴穿过掩模的步骤。31.根据权利要求29或30所述的方法，其中每个微米级液滴包含小于5个纳米颗粒/液滴。32.根据权利要求31所述的方法，其中每个微米级液滴包含单个纳米颗粒。33.根据权利要求29-31任一项所述的方法，其中通过间隔的带电板提供静电场并且该基底位于接地带电板上。34.根据权利要求33所述的方法，其中带电板是带静电的绝缘体或电压偏置的导体。35.根据权利要求33所述的方法，其中对带电板进行图案化以空间调制电场并促进纳米颗粒沉积在基底上的特定位置处。36.根据权利要求29所述的方法，其中气雾剂以层流方式流动并且在空间上被设计以便在基底上的特定位置处提供纳米颗粒沉积。37.根据权利要求29-36任一项所述的方法，其中所述基底具有至少部分导电的表面。38.根据权利要求29-36任一项所述的方法，其中所述基底具有至少部分介电的表面。39.根据权利要求37或38所述的方法，其中所述基底具有亲水或疏水的表面。40.根据权利要求39所述的装置，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·勒菲弗，P·马朗方，
申请(专利权)人：加拿大国家研究委员会，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA