气溶胶喷射研究现状

在Krinke等人的研究中,气溶胶粒子是自由的分布于腔体中,所以线条显得并不均匀。Wuled Lenggoro等人在他们的基础上进行了近一步研究。


现代气溶胶喷射技术按喷射驱动方式大致可以分为两大类,即静电驱动气溶胶喷射和气体驱动气溶胶喷射。

(1)静电驱动的气溶胶喷射技术

2000年Thomas Krinke等人提出了一个基于接触起电的气溶胶沉积方法。其基本原理是金属和绝缘体的接触交界面上会产生电子,当金属移开后,电荷会在绝缘体上保持几个小时。这个现象的发生与否和转移电荷的数量取决于金属的功函数。利用这个现象,提前在基底上用不锈钢针画出想要的图案,最后使得气溶胶在喷射后能够在基底上形成斑点、细线,以及其它图案。测试用的气溶胶是用的单分散性、平均颗粒直径30 nm的铟,通过气溶胶发生器将铟颗粒分散在超纯氮气中形成气溶胶,并在外加电场下,使得平均每一个粒子带一个正电荷或负电荷。将带电的气溶胶颗粒通入一个圆柱形腔体中,基底置于腔体正中底部。然后在腔体与基底之间加以电压形成垂直于基底方向的具有适当方向的电场,带电的气溶胶颗粒会随着电场力的作用,向基板移动并沉积在基板上形成图案。最后沉积得到了直径为15 mm的斑点,以及一条细线,这条线最细的部分可以低于100 nm,而最粗的部分达到了250 nm。当电极上不加电场时,气溶胶粒子几乎只受到布朗运动的运动,用扫描电子显微镜观察到这种情况下沉积在基板上的粒子可以忽略不计[ ]。

在Krinke等人的研究中,气溶胶粒子是自由的分布于腔体中,所以线条显得并不均匀。Wuled Lenggoro等人在他们的基础上进行了近一步研究。他们使用了一个内直径100 m的毛细钢针作为喷嘴,并在其上加上电压(数千伏特),气溶胶粒子依旧带电,且电性与喷嘴相同。采用颗粒为直径20 nm的Au,毛细管加上2.4 kv正电压,基板加0.5 kv正电压,喷嘴到带相反电极的基板上的距离大约是10 mm,最后沉积出了线宽为100 nm均匀线条[ ]。

图 1  基于静电喷射的气溶胶喷射形成的线条对比。左图为Krinke等人的气溶胶喷射沉积结果,右图为Lenggoro等人的气溶胶喷射沉积结果。

从图1中可以看出,Krinke等人沉积的线条显得粗细不均匀,而Lenggoro等人沉积的线条粗细相对均匀,但是线条连续性差,质量不好,难以适用于实际应用。而且整个喷射过程要在带电条件下进行,并且要提前划好图案,实验条件显得过于繁琐与复杂。

(2)气体驱动的气溶胶喷射技术

2007年Mette等人发表了关于利用无外加电场条件下的气溶胶喷射技术制作了硅太阳能电池的电极的具体工作情况。在研究中,他们通过超声振荡的方式来制备粒度均匀且颗粒细小的气溶胶,整个喷射过程没有电场参与,完全以气体驱动方式来控制喷射。实验使用材料为有机银胶,通过超声振荡使其均匀分散到氮气中,并通入其特有的喷头结构中,喷嘴出口直径为100 nm。通过改变控制参数,得到了宽度14 m的线条,使用水相银胶墨水,打印的线宽在40 m左右。并指出近一步改变参数,如使用直径50 nm的喷嘴,还能获得精度更高的线条。通过气溶胶喷射技术直接喷射沉积形成的金属电极的导电性无法满足光电池对导电能力的需求,必须通过光诱导或加热退火来增加它的质量和电导率[ ]。

图 2  使用有机银胶利用气溶胶喷射技术在玻璃基底上沉积形成的线条

赵建文等人于2012年延续了Metta等人的工作,并在它们的研究基础上做出了改进。他们尝试在银纳米粒子油墨中加入了一定量的碳纳米管作为表面活性剂,在使用和Metta等人同样的喷头结构情况下,改变碳纳米管的浓度,并测试了其不同浓度下喷射形成线条的电导率。他们发现在碳纳米管为低浓度时(小于0.5 wt.%),由于碳纳米管修复了银线的缺陷,沉积线条的电导率增加。使碳纳米管的浓度继续增加,结果发现沉积线条的电阻升高,即导电能力变弱了,这可能是由于碳纳米管浓度高于浓度阈值后,碳纳米管进行聚集,沉积的银线的电导率由于肖特基势垒效应而降低[ ]。