用于形成金属层的方法技术

提供了用于在三维(3D)基体上形成结晶金属层的方法。该方法包括将晶体生长油墨施加到3D基体的表面，其中，晶体生长油墨包括金属离子前体和结构化液体；以及，将3D基体在真空腔室中暴露于来自等离子体的等离子体辐射，以引起3D基体上结晶金属层的生长，其中，暴露基于预定义的暴露参数组。

Method for forming metal layer

A method for forming a crystalline metal layer on a three-dimensional (3D) substrate is provided. The method includes applying a crystal growth ink to the surface of a 3D matrix, wherein the crystal growth ink comprises a metal ion precursor and a structured liquid; and exposing the 3D matrix in a vacuum chamber to plasma radiation from a plasma to cause the growth of a crystal gold layer on the 3D matrix, wherein the exposure is based on a predefined set of exposure parameters.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于形成金属层的方法相关申请的交叉引用本申请要求于2017年1月24日提交的美国临时申请No.62/449,882的优先权，其内容在此通过引用并入。
本公开大体上涉及用于在三维(3D)表面上形成金属层的方法。
技术介绍
在复杂的3D表面上形成和应用金属层(即，金属化)在现代世界中是越来越必要的。金属涂层通常应用于物体出于装饰、保护或功能目的，或其任何组合。特别强调的是对塑料、热不稳定表面和非导电3D表面的金属化，其中该过程特别具有挑战性，因为当前的金属化方法对于这些材料来说效率低且成本高。3D表面金属化的现代方法可分为四大类。第一类包括电镀、化学沉积、转化涂覆以及阳极氧化方法。这些方法通常使用电解质溶液和电流来减少溶解的金属阳离子，这样在基体上形成薄的金属层。电镀主要被应用于修饰基体的表面性能，诸如耐磨性、防腐蚀性、润滑性以及一定的美学特性。电镀方法等的优点包括精确控制所施加的层的厚度和形貌、均匀沉积、高沉积速率以及材料和设备两者的成本相对较低。然而，只有当施加于导电基体时，电镀方法等的施加才是可能的。金属化基体的第二类是气相沉积，其包括多种方法，诸如等离子体气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、离子等离子体沉积(IPD)、热喷涂等。通常，该类别包括使用低压、高温或侵蚀性化学环境以在期望的表面上沉积金属层的方法。例如，PVD方法利用物理过程，诸如加热或溅射，以产生金属蒸汽，然后将金属蒸汽沉积在基体上。在CVD工艺中，基体在反应室中暴露于高活性试剂。这些方法价格低廉并且可以快速执行，但是对许多类型的基体，特别是有机基体可能是有害的。此外，这些方法在材料和电力使用方面效率低。第三类包括诸如涂装、旋涂、浸涂和类似技术的不同方法，其将液体形式的金属层沉积在基体上，并然后对该层进行热处理或化学处理。该类别的优势在于其简单性。这些方法很少要求复杂的设备，材料效率高且易于执行。然而，在该第三类中的方法往往不适合大规模生产，这是由于涂覆率以及对层厚度和其他层性质的有限的控制。第四类包括所有类型的印刷以及随后处理在基体上印刷的油墨以获得金属层。印刷工艺可以包括喷墨印刷、柔版印刷、丝网印刷和微冲压(microstamping)，其中处理典型地是热处理。该类别在有机电子工业中最受欢迎，因为其印刷率高、所需设备相对简单以及材料损失低。然而，对于非平坦的、弯曲的或更复杂的表面，诸如纤维、线材、纸、织物、颗粒或粉末，通常不可能进行印刷。这些类型的物体必需使用最初两大类别中的一个进行金属化，这通常由于它们所需的极端条件(例如，高温或腐蚀性化学环境)而导致显著的材料损失和基体损坏。对复杂物体和材料进行金属化的需求正变得越来越普遍。这些方式的应用包括但不限于装置，诸如3D天线、导电复合体、“智能”电子可穿戴设备、催化剂等。因此，提供能够克服上述挑战的方案是有利的。
技术实现思路
以下是本公开的几个示例性实施方式的概述。提供该概述是为了方便读者以提供对这些实施方式的基本理解，并且不完全限定本公开的宽度。该概述不是对所有预期实施方式进行的广泛综述，并且旨在既不确定所有实施方式的关键或重要要素，也不用于描述任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现一种或多种实施方式的一些构思，作为稍后提出的更详细的描述的序言。为了方便起见，在本文中可以使用术语“某些实施方式”来指本公开的单个实施方式或多个实施方式。本文公开的某些实施方式包括用于在三维(3D)基体上形成结晶金属层的方法。该方法包括将晶体生长油墨施加至3D基体的表面，其中，晶体生长油墨包括金属离子前体和结构化液体；并且在真空环境中将3D基体暴露于来自等离子体的等离子体辐射，以引起结晶金属层在3D基体上生长，其中，暴露基于预定义的暴露参数组。本文公开的某些实施方式还包括晶体生长油墨，其包括金属离子前体和结构化液体，其中，当将晶体生长油墨施加至3D基体的表面并在真空环境中暴露于来自等离子体的等离子体辐射时，会引起结晶金属层在3D基体上生长，其中，暴露基于预定义的暴露参数组。附图说明特别指出并在说明书结束后的权利要求中明确要求保护本文公开的主题。结合附图通过以下详细描述，所公开实施方式的前述和其他目的、特征和优点将变得显而易见。图1是使用本公开的方法在弯曲玻璃管的内侧和外侧上形成的金层的照片图像。图2是使用本公开的方法在聚乙烯线材上形成的银层的照片图像。图3是使用本公开的方法在聚乙烯线材上形成的银层的光学显微镜图像。图4是使用本公开的方法在丝纤维上形成的银层的扫描显微镜图像。图5是使用本公开的方法在丝织物上形成的银层的扫描显微镜图像。图6是涂覆有银纳米晶体的互连层的Al2O3粉末的扫描显微镜图像。图7是被银纳米晶体层完全覆盖的单个Al2O3微粒的扫描显微镜图像。图8是被银纳米晶体层部分覆盖的单个Al2O3微粒的扫描显微镜图像。图9是涂覆有银层的纤维素纸的扫描显微镜图像。具体实施方式重要的是要注意，本文公开的实施方式仅是本文创新教导的许多有利用途的实例。通常，在本申请的说明书中做出的陈述不一定限制各种所要求保护的实施方式中的任何一个。此外，一些陈述可能适用于一些专利技术特征而不适用于其他特征。通常，除非另有说明，否则单数的要素可以是复数，反之亦然，不失一般性。在附图中，在整个若干视图中相同的标号表示相同的部分。各种公开的实施方式包括用于金属化物体的方法和工艺，该物体包括弯曲的或具有非平坦表面的3D基体。根据实施方式公开的工艺包括将晶体生长油墨施加到基体上并将涂覆后的基体在真空环境中暴露于来自等离子体的辐射。辐射引起晶体生长油墨中的还原过程，其中，油墨中的金属离子接收来自等离子体的电子并转化为金属原子，从而导致在基体上形成结晶金属层。所公开工艺的多功能性允许其被应用于具有各种形状的表面的基体。这些物体的实例包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物线材(wire)、聚合物线(thread)、纸、织物、纺织品、非织造物、聚合物或陶瓷微粒、聚合物或陶瓷纳米颗粒、粉末以及用于催化、电子和光电应用的各种复合装置。在一种实施方式中，晶体生长油墨组合物包括金属离子前体，金属离子前体按重量计占晶体生长油墨的0.01％至60％之间。晶体生长油墨的制剂包括以下：结构化液体、扩散液体和稳定液体。在实施方式中，油墨制剂额外地包括添加剂。每种成分可以是有机溶剂或有机溶剂的组合，其区别在于它们在油墨制剂中的作用和它们的物理性质。晶体生长油墨的组合物可以是溶液、分散体、悬浮液、凝胶或胶体的形式。晶体生长油墨的金属离子前体可以由盐的混合物组成，盐的混合物包括一种或多种金属阳离子(即带正电的离子)和抗衡离子(即具有的电荷等于阳离子但是带负电荷的离子)。在实施方式中，金属阳离子可以被抗衡离子或配体稳定，形成有机金属配合物，使得所得的盐通过配位键而不是通过离子键连接。金属阳离子可以是以下元素中的至少一种的有机或无机盐的形式：Au、Ag本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在三维(3D)基体上形成结晶金属层的方法，包括：/n将晶体生长油墨施加至所述3D基体的表面，其中，所述晶体生长油墨包括金属离子前体和结构化液体；以及/n将所述3D基体在真空环境中暴露于等离子体辐射以引起所述3D基体上的结晶金属层的生长，其中，所述暴露基于预定义的暴露参数组。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170124 US 62/449,8821.一种用于在三维(3D)基体上形成结晶金属层的方法，包括：
将晶体生长油墨施加至所述3D基体的表面，其中，所述晶体生长油墨包括金属离子前体和结构化液体；以及
将所述3D基体在真空环境中暴露于等离子体辐射以引起所述3D基体上的结晶金属层的生长，其中，所述暴露基于预定义的暴露参数组。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述暴露于等离子体导致所述晶体生长油墨经历还原过程，其中，来自所述晶体生长油墨的所述结构化液体蒸发，并且其中，来自所述金属离子前体的金属离子接收来自所述等离子体的电子，将所述金属离子转化为金属原子并在所述3D基体上形成结晶金属层。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结晶金属层包括以下中的至少一种：晶粒层、多晶层和半晶层。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结晶金属层包括以下中的至少一种：独立的纳米晶体的涂布、纳米晶体簇的涂布、纳米晶体的互连网络、纳米晶体簇的互连网络以及完全均匀的多晶金属层。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述晶体生长油墨还包括以下中的至少一种：扩散液体、稳定液体和添加剂。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述晶体生长油墨组合物的形式是以下任何一种：溶液、分散体、悬浮液、凝胶和胶体。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属离子前体包括：盐，所述盐由金属阳离子和抗衡离子或配体的组组成。


8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述金属阳离子由配体稳定，从而形成有机金属配合物，使得所得盐通过配位键连接。


9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述金属阳离子是以下中的至少一种的盐：Au、Ag、Pt、Pd、Cu、Ni、Co、Zn、In、Ti、V、Mn、Fe、Cr、Zr、Nb、Mo、W、Ru、Rh、Ca、Re、Os、Ir、Al、Ga、Sn和Sb。


10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述抗衡离子和配体为以下中的至少一种的形式：M(NO3)n、M(SO4)n、MCln、HmMCIn+m和MN，其中，M是化合价为“n”的金属原子或的金属合金，“N”是烷基-、烯丙基-或乙酰基-、羰基、羧基、环戊二烯基、苯基-、联苯基-、吡啶-、联吡啶-、芳香族、氰基-、酰胺部分，以及“m”是抗衡离子的化合价。


11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构化液体具有以下中的至少一个：10-1000厘泊(cP)之间的动态粘度和0-100帕(Pa)之间的蒸气压。


12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构化液体包括以下中的至少一种：环状醇、亚砜、甲酰胺、乙胺、二元醇、二醇、二醇醚、甘油和碳酸亚丙酯。


13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构化液体按重量计占所述晶体生长油墨的大于20％，并且所述金属离子前体按重量计占大于0.01％。


14.根据权利要求5所述的方法，其中，所述扩散液体包括以下中的至少一种：醇、甲苯、二噁烷、亚砜、甲酰胺、乙胺、二醇醚和乙腈。


15.根据权利要求5所述的方法，其中，所述扩散液体具有10至40毫牛顿每米(mN/m)之间的表面张力。


16.根据权利要求5所述的方法，其中，所述扩散液体按重量计占所述晶体生长油墨的至多达80％。


17.根据权利要求5所述的方法，其中，所述稳定液体包括以下中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：纳塔利娅·扎莫什奇克，康斯坦丁·利瓦诺夫，亚纳·谢宁，
申请(专利权)人：奥雷尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL