Способ создания электропроводящих сетчатых оптически прозрачных и оптически непрозрачных структур

Использование: для создания структур с помощью электрических полей. Сущность изобретения заключается в том, что способ содержит получение сетчатой электропроводящей микро- и наноструктуры, оптически прозрачной благодаря наличию стремящихся к приблизительно среднему значению сквозных окон, разделяющих металлические микро- и наноразмерные проволоки, получаемой путем переноса металлизированного полимерного шаблона на подложку с последующим удалением полимера, при этом для формирования полимерного шаблона для последующей металлизации используется электростатическое вытяжение нити из капли раствора полимера и ее ускорение в сторону электропроводящей рамки (процесс электроспиннинга), являющейся однооконной или многооконной ячеистой конструкцией, с последующим формированием на ней полимерного шаблона, его дальнейшей металлизацией путем напыления металлического или металлоксидного слоя, переносом на подложку с опциональным удалением полимерного шаблона и рамки и получением в результате электропроводящего покрытия на подложке. Техническим результатом является обеспечение возможности создания электропроводящих структур. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Способ создания электропроводящих сетчатых оптически прозрачных и оптически непрозрачных структур. Изобретение относится к технологии создания сетчатых электропроводящих структур с помощью электрических полей.

Сетчатая паутиноподобная микро- и наноструктура получается с помощью динамического или статического электроспиннинга (фиг. 1). Производится электростатическое вытяжение нити раствора полимера 1 из капели раствора полимера 2 постоянным или пульсирующим электрическим полем (создаваемым разностью потенциалов, приложенной к металлической фильере 3 и поддерживающей рамке 4) и ее ускорением этим полем в сторону поддерживающей сетчатой рамки 4, распад на множество филаментов 5, на рамке формируется полимерная структура 6, имеющая паутиноподобный сетчатый вид (фиг. 2а, фиг. 2б, фиг. 2в), отвердевающая путем испарения растворителя из раствора полимера по пути к рамке и на ней самой, с последующей металлизацией структуры с применением термоэвапорации металла в вакууме, магнетронного напыления металла (или иного способа нанесения металлического покрытия), переносом структуры на конечную подложку, опциональным удалением ячеистой рамки и опциональным удалением полимерного шаблона методом растворения его в подходящем растворителе.

Под полимерным шаблоном понимается сформированная полимерная сетчатая структура с поддерживающей рамкой или без нее.

Под свойством "проводимость" подразумевается электрическая проводимость.

Так же возможно науглероживание полимера, к примеру, можно получить сетчатую полимерную структуру из полиакрилонитрила и провести процесс его превращения в углеродные филаменты, что дает возможность использовать получаемый материал для создание микро- наноразмерных металл-композитных структур (путем металлизации углеродной сетчатой структуры с одной или всех сторон) или прямое использование углеродной сетчатой структуры, например, для создания прочных воздушных фильтров, проводящих покрытий (таких, где не предъявляются высокие требования к электропроводности) и для прочих применений.

Под динамическим электроспиннингом (см. фиг. 3) понимается процесс электростатического вытяжения нитей полимера 1 из капель раствора полимера 2 постоянным или пульсирующим электрическим полем и ее ускорением этим полем, создаваемым разностью потенциалов, приложенной к металлической фильере и поддерживающей рамке 4 (выполненной из проводящего материала или непроводящего материала с проводящим покрытием или слоем), в сторону сетчатой рамки 4, при этом капли раствора полимера 2 формируются на одной или нескольких фильерах 3, пребывающих в движении по произвольным или заранее заданным траекториям и опционально изменяемым во времени электрическим напряжением процесса.

Под статическим электроспиннингом понимается аналогичный процесс, но фильеры в количестве от одной до множества штук являются неподвижными.

Металлизация полимерного шаблона при этом может проводиться как с одной, так и с двух сторон. Металлизация (см. фиг. 4) с одной стороны образует металлический слой 7 и оставляет открытый полимер 8 с другой. При этом под металлизацией с двух сторон понимается в том числе полная металлизация, так как при сращивании металлического покрытия по бокам даст как результат металлическую трубку с полимером внутри (см. фиг. 5).

Металлизация возможна любым удобным способом, который не будет разрушать полимерную структуру - гальваническими методами, термоэвапорацией металла на подложку в вакууме, магнетронным напылением, электронно-лучевым испарением металлов с последующим осаждением на подложку, химическим осаждением на поверхность и так далее. В случае использования магнетронного распыления, возможно получение не только металлического, но металл-оксидного покрытия на полимерном шаблоне, например, из оксида титана IV (TiO2), что позволит получить полупроводниковое электропроводящее покрытие.

Известна работа (Н. Wu, D. Kong, Z. Ruan. Nature nanotechnology. 10.1038/NNANO.2013.84), которая выбрана в качестве ближайшего аналога, в ней раскрывается схожий механизм получения одного из вариантов покрытия. Полимерный шаблон в данном случае получается подвешенным и уязвимым к провисанию, особенно во время металлизации, электроспиннинг осуществляется обычным способом за достаточно долгое время, после металлизации шаблон переносят на подложку и растворяют полимерный шаблон полностью. Недостатком здесь является ограничение размеров несколькими дюймами, низкая прочность переносимой структуры, сложное управление процессом создания шаблона и большие временные затраты, что является существенными препятствиями для создания, например, больших оптически прозрачных экранов от СВЧ электромагнитного излучения.

Известен патент (RU 2574249), в котором похожая структура получается с использованием шаблона, полученного путем естественного растрескивания поверхности, покрытой химическим веществом, свойствами которого обусловливается данное растрескивание и получается "ажурная" структура шаблона. Недостаток данного метода состоит в том, что таким образом получается шаблон по типу трафарета, который не позволяет выделить, например, сами полимерные волокна до металлизации и не позволяет достичь большого разнообразия выполнения микро- наноструктуры как по форме, так и по своему составу. К тому же при изготовлении больших СВЧ-экранов применение данной технологии нецелесообразно, так как зачастую необходимо быстро и удобно разместить проводящую сетку между двумя слоями размягченного разогретого стекла. Так же данный способ не позволяет эффективно науглероживать полимерные нити, например, из полиакрилонитрила. К недостатку можно так же отнести использование достаточно широкого спектра химических веществ в процессе создания проводящего покрытия.

Способ позволяет управлять процессом получения проводящего покрытия и варьировать конечный результат.

Варьирование конечного результата состоит в возможности задания формы структуры, ее разреженности на плоскости, характере соединения отдельных микро- нанопроволок, электрической проводимости, толщины как самого покрытия, так и составляющих его элементов.

Здесь и далее под "создаваемыми покрытиями" имеются в виду структуры из металлизированного полимера, металлические сетчатые структуры без полимера, сетчатые структуры из науглероженных волокон с металлизацией и без.

Оптическая прозрачность создаваемых покрытий обусловливается наличием между проводящими микро- нанопроволоками сквозных окон, средний размер которых стремится к приблизительно одному значению, при этом строгой регулярной структуры нет, так как есть некоторый разброс в форме и размерах. Подобные покрытия обладают хорошими механическими свойствами, что позволяет многократно сгибать и сминать изделия с нанесенным покрытием с сохранением электрической проводимости.

В качестве примера (см. фиг. 6): возможно получение проводящего покрытия на подложке 9, микро- наноструктура которого имеет вид случайным образом соединенных металлических микро- нанопроволок в сечении имеющих вид "желобов" 10; возможно получение проводящего покрытия, где полимерный шаблон не удаляется (см. фиг. 7), получаемая проводящая структура является очень удобной для размещения на подложке наплавлением или частичным растворением данного полимерного шаблона при сохранении металлического напыления с одной стороны, что позволяет отказаться от использования оптически прозрачных клеев; возможно получение проводящего покрытия, где полимерный шаблон металлизирован с двух сторон, образуя, таким образом, металлические микро- нанотрубки с полимерным наполнением, что позволяет достичь повышенных в сравнении с односторонней металлизацией прочностных характеристик получаемого покрытия, но в ущерб пластичности и высокой устойчивости проводящего покрытия к сильным изгибам подложки.

Варьирование скорости движения фильер, их количества, длительности процесса и электрического напряжения позволяет управлять технологическим процессом в широких пределах.

Так же динамический электроспиннинг можно применить для создания полимерной микро- наноструктуры из полиакрилонитрила, превращением которого по аналогии с синтезом углеродных волокон сначала в активной окислительной среде (стадия стабилизации), а затем в инертной среде (науглероживание, карбонизация), получаются соединенные между собой углеродные филаменты, что позволяет получить как проводящее покрытие, так и один из компонентов для изготовления композитных материалов. Для создания полимерного шаблона, возможно использовать любой другой прекурсор углеродных волокон, например, поливиниловый спирт.

Для создания металл-углеродной композиционной структуры возможен предварительный перевод полимерного шаблона в углеродную структуру (в чистый углерод), с последующей металлизации любым удобным способом. Предварительная полная металлизация не желательна, так как затруднит выход газообразных продуктов карбонизации (науглероживания).

Изобретение позволяет использовать в качестве материала для изготовления шаблона полимер со взвешенными в нем микро- наночастицами электрически проводящего вещества, например, наночастиц серебра или электропроводящих оксидов металлов, позволяющего, таким образом, использовать достоинства золь-гель метода получения проводящих структур с целью повысить электрические и прочностные свойства структуры.

Важным компонентом является рамка, в случае получения малых размеров полимерного шаблона (например, квадрат с диагональю 3-5 дюйма) достаточно применения простой однооконной рамки из любого электропроводящего материала или содержащей проводящий слой (это необходимо для возможности осуществления самого процесса электроспиннинга), но в случае создания больших шаблонов (с диагональю или диаметром более нескольких дюймов) принципиально важным является применение многооконной ячеистой рамки.

Возможно выполнение рамки из углеродных волокон, обеспечивающих надежное механическое удерживание сетчатой структуры, а также электрический разряд данной структуры на рамку, что делает возможным эффективное осаждение сетчатой структуры в процессе электроспиннинга.

Возможно выполнение рамки из материала, как могущего растворяться в растворителе, который так же способен растворять материал полимерного шаблона, так и растворимого в растворителе, в котором не растворяется материал получаемого полимерного шаблона. Это позволяет получить полимерный шаблон для последующей металлизации, науглероживания или комбинации металлизации и науглероживания без его провисаний, отходов от рамки, с удобным способом его размещения на подложке благодаря распределению массы полимерного шаблона на большей площади рамки.

В случае металлизации с последующим удалением полимерного шаблона после размещения на подложке - удаляется полимерный шаблон, с целью оставить металлическое сетчатое микро- нанопокрытие, а также возможно удалить рамку, если она была сделана из растворимого проводящего материала (например, полимер со взвешенными наночастицами серебра или оксида титана).

Можно оставить полимерный шаблон с металлическим покрытием, что позволит разместить проводящее покрытие на подложке и использовать оставшийся полимерный шаблон для увеличения прочности покрытия и для реализации возможности прикрепления проводящего покрытия к подложке наплавлением или частичным растворением полимера самого шаблона на подложку, например, парами растворителя. Важно учитывать, что при металлизации поддерживающая рамка так же будет покрыта слоем металла с одного бока, поэтому необходимо учитывать толщину нитей поддерживающей рамки.

Изобретение делает возможным создание композитной микро- наноструктуры, состоящей, к примеру, из металлизированных с одной или двух сторон науглероженных полиакрилонитрильных волокон, при этом, необходимо перевести полиакрилонитрил в углеродное состояние до металлизации, так как большинство предпочтительных металлов имеют температуры плавления ниже, чем температура процесса науглероживания на стадии с инертной атмосферой.

Внедрение наночастиц в раствор полимера, например, оксида титана, элементарной меди, или серебра, за счет самоориентации частиц и объединения их в электропроводящие цепи, позволяет получить комплексную электрическую проводимость как за счет металлического покрытия, так и за счет частиц, что может представлять из себя совмещение данного способа с золь-гель методом получения проводящих покрытий.

Нанесение металла с двух сторон на полимерный шаблон позволяет получить металлические трубки с полимером внутри, что может увеличить дополнительную механическую прочность проводящему покрытию, а также увеличить электрическую проводимость покрытия, однако это приведет к увеличению толщины проводящего покрытия на подложке и невозможности его закрепления на ней наплавлением или частичным растворением полимера.

Вытяжение нити раствора полимера из капли электрическим полем может быть осуществлено как с помощью постоянного электрического тока, так и пульсирующего, причем в случае пульсирующего электрического поля получаются более короткие нитевые фрагменты в полимерном шаблоне и более хаотическая структура.

С целью повышения производительности, а также увеличения размера получаемого полимерного шаблона, целесообразно использовать несколько фильер.

1. Способ получения сетчатой электропроводящей микро- и наноструктуры, оптически прозрачной благодаря наличию стремящихся к приблизительно среднему значению сквозных окон, разделяющих металлические микро- и наноразмерные проволоки, получаемой путем переноса металлизированного полимерного шаблона на подложку с последующим удалением полимера, отличающийся тем, что для формирования полимерного шаблона для последующей металлизации используется электростатическое вытяжение нити из капли раствора полимера и ее ускорение в сторону электропроводящей рамки (процесс электроспиннинга), являющейся однооконной или многооконной ячеистой конструкцией, с последующим формированием на ней полимерного шаблона, его дальнейшей металлизацией путем напыления металлического или металл-оксидного слоя, переносом на подложку с опциональным удалением полимерного шаблона и рамки и получением в результате электропроводящего покрытия на подложке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рамка, имеющая простую, однооконную, или ячеистую, многооконную, структуру, на которой создается полимерный шаблон, выполнена из растворимого в том же растворителе, что и полимерный шаблон, материала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рамка, имеющая простую, однооконную, или ячеистую, многооконную, структуру, на которой создается полимерный шаблон, выполнена из растворимого материала, растворитель для которого не способен взаимодействовать с наносимыми на рамку полимерными нитями, формирующими полимерный шаблон, и растворять их.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимера для создания полимерного шаблона используется прекурсор углеродных волокон.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что полимерный шаблон до металлизации переводится в практически чистый углерод.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что данный науглероженный шаблон может быть металлизирован с одной стороны или с двух сторон, то есть полностью.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в полимере для полимерного шаблона присутствуют взвешенные наночастицы.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что нанесение металла осуществляется с двух сторон полимерного шаблона с получением в итоге металлических трубчатых микро- и нанопроволок с сохранением полимерной сердцевины со взвешенными наночастицами.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования полимерного шаблона используется вытяжение нити из капли раствора полимера электрическим полем, созданным постоянным или пульсирующим электрическим током.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для нанесения полимерной структуры на рамку может применяться произвольное количество фильер, от одной до множества.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для формирования полимерного шаблона с целью создания более равномерной структуры фильеры во время получения полимерного шаблона находятся в движении по произвольным, заранее заданным траекториям.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рамка, имеющая простую, однооконную, или ячеистую структуру, выполнена из углеродных филаментов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области вакуумных туннельных диодов (ВТД). Одним из основных применений изобретения является создание высокоэффективных преобразователей тепловой энергии в электроэнергию или электрической энергии в холод или тепло.

Изобретение относится к области конструирования и производства мощных кремниевых ограничителей напряжения (защитных диодов), преимущественно с напряжениями пробоя от 3 В до 15 В, предназначенных для защиты электронных компонентов - интегральных микросхем и полупроводниковых приборов в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) от воздействия мощных импульсных электрических перенапряжений различного рода.

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур с пониженной дефектностью.

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур с пониженной дефектностью.

Изобретение предлагает способ изготовления тонкой пленки низкотемпературного поликристаллического кремния, включающий этап выращивания слоя аморфного кремния, этап первоначального выращивания слоя оксида кремния на слое аморфного кремния, затем формирование некоторого множества вогнутых поверхностей на слое оксида кремния, которые будут отражать лучи света, вертикально проецируемые на оксид кремния, и, последним, этап проецирования луча эксимерного лазера на слой аморфного кремния через слой оксида кремния, чтобы преобразовать слой аморфного кремния в тонкую пленку низкотемпературного поликристаллического кремния.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. Способ изготовления диода с вискером "Меза-подложка" терагерцового диапазона включает нанесение на поверхность гетероэпитаксиальной структуры диэлектрической пленки, в которой по маске фоторезиста травлением до высоколегированного катодного слоя создается окно катодного контакта U-, или О-образной формы, формирование в нем металлизации низкоомного омического катодного контакта с последующим удалением резиста, отжигом и гальваническим утолщением, формирование с использованием тонких резистивных масок на поверхности активных слоев окна анодного контакта микронного или субмикронного диаметра между U-выступами катода, или в центре О-образного катода, удаление в окне анодного контакта слоя диэлектрика, проведение финишных обработок, формирование металлизации анодного контакта, удаление резиста, формирование резистивной маски или маски диэлектрика для травления мезы вокруг площадки с расположенными на ней анодом и катодом, травление мезы как минимум до полуизолирующего слоя подложки, формирование анодной и катодной контактных площадок на полуизолирующем слое у основания мезы, соединение анода со своей контактной площадкой металлическим воздушным мостом, место соединения которого с анодом представляет собой расширенный контакт, выступы поля которого опираются на слой диэлектрика, соединение катода со своей контактной площадкой осуществляется либо металлическим воздушным мостом, либо металлической шиной, лежащей на боковой поверхности мезы или на слое диэлектрика, утонение подложки и разделение на отдельные кристаллы.

Изобретение относится к быстродействующим диодам. Диод содержит полупроводниковый слой, имеющий первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, полупроводниковый слой имеет толщину между первой стороной и второй стороной, при этом толщина полупроводникового слоя сравнима со средней длиной свободного пробега носителей заряда, эмитированного в полупроводниковый слой.

Использование: для формирования резистных масок. Сущность изобретения заключается в том, что наносят слой резиста, в качестве которого выбирают низкомолекулярный полистирол, на подложку методом термического вакуумного напыления, при этом температура подложки во время напыления не более 30°C; формируют на подложке скрытое изображение путем локального экспонирования высокоэнергетичным пучком электронов с дозой засветки 2000-20000 мкКл/см2; проявляют резист при подогреве подложки в вакууме до температуры 600-800 К и при давлении не более 10-1 мбар и плазменное травление для переноса рисунка резистной маски в подложку для формирования микро- и наноструктуры на подложке.

Изобретение относится к новым водным полирующим композициям, которые особенно подходят для полирования полупроводниковых подложек, содержащих пленки на основе оксидкремниевого диэлектрика и поликремния, необязательно содержащих пленки на основе нитрида кремния.

Изобретение относится к химической промышленности, микроэлектронике и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении прозрачных проводящих покрытий, светопоглощающих и светопреобразующих слоёв для оптических и фотовольтаических устройств, самоочищающихся поверхностей, биометрических материалов, мембран, катализаторов.

Изобретение относится к наноструктурированным материалам с выраженной сегнетоэлектрической активностью с требуемыми характеристиками, используемым в качестве функциональных материалов в современной микро- и наноэлектронике.

Изобретение относится к нанотехнологии. Синтез эндоэдральных фуллеренов проводят в водоохлаждаемой металлической герметичной камере в плазме высокочастотной дуги с использованием переменного тока при атмосферном давлении.

Изобретение может быть использовано в химической технологии. Для приготовления порошкообразных образцов η-фазы состава TiO2-х×nH2O, где n=0,9-2,0, с интеркаляцией поли-N-винилкапролактама (ПВК) в структуру η-фазы осуществляют следующие стадии.

Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе тетрагонального диоксида циркония. Технический результат изобретения - увеличение прочности материалов, спекающихся до плотного состояния при низкой температуре 1300-1350°С.

Настоящее изобретение относится к нефтехимической промышленности, а именно к способам получения низкоконцентрированных каталитических дисперсий для процесса получения алифатических углеводородов по методу Фишера-Тропша в трехфазном сларри-реакторе.

Изобретение относится к неорганической химии и нанотехнологиям и может быть использовано для формирования нанорельефа в микроканале, в качестве гидрофильного покрытия, подложки для катализаторов.

Изобретение относится к электронике и нанотехнологии и может быть использовано в 2D-печати. Сначала получают графеновые частицы электрохимическим расслоением графита, характеризующегося массой чешуек около 10 мг, в жидкой фазе с использованием в качестве электролита водного 0,00005-0,05 М раствора (NH4)2S2O8, в течение 10 мин и менее, при напряжении не более 15 В и подаче на графитовый электрод положительного напряжения.

Изобретение относится к магнитному наноматериалу, включающему железосодержащие наночастицы, распределенные в матрице пиролизованного ферроценсодержащего полимера.

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической отрасли промышленности. Заявлен термостабильный катализатор изомеризации ароматических углеводородов С-8, состоящий из носителя, содержащего, мас.%: упорядоченный мезопористый оксид кремния - 10,0-75,0, алюмосиликатные нанотрубки - 5,0-70,0, гамма-оксид алюминия - остальное до 100, и металла платиновой группы, нанесенного на носитель в количестве 0,1-5,0% от массы катализатора, причем используемые в носителе упорядоченный мезопористый оксид кремния и алюмосиликатные нанотрубки представляют собой структурированный композит.

Изобретение относится к области синтеза дисперсных мезопористых материалов на основе в системе ZrO2(Y2O3)-Al2O3 для носителей катализаторов, заявленный способ реализуют в два этапа, при этом на первом этапе в процессе совместного осаждения гидроксидов в системе ZrO2-Y2O3 получают три порции гелеобразных осадков, а соосаждение проводят из 0.1М растворов азотнокислых солей циркония и иттрия, взятых в соотношении, необходимом для получения итогового состава ZrO2(3 мол.

Изобретение относится к агрегированным частицам для ингаляции, содержащим нанодисперсные частицы лекарственного средства умеклидиния бромида, вилантерола трифенатата и флутиказона фуроата.

Использование: для создания структур с помощью электрических полей. Сущность изобретения заключается в том, что способ содержит получение сетчатой электропроводящей микро- и наноструктуры, оптически прозрачной благодаря наличию стремящихся к приблизительно среднему значению сквозных окон, разделяющих металлические микро- и наноразмерные проволоки, получаемой путем переноса металлизированного полимерного шаблона на подложку с последующим удалением полимера, при этом для формирования полимерного шаблона для последующей металлизации используется электростатическое вытяжение нити из капли раствора полимера и ее ускорение в сторону электропроводящей рамки, являющейся однооконной или многооконной ячеистой конструкцией, с последующим формированием на ней полимерного шаблона, его дальнейшей металлизацией путем напыления металлического или металлоксидного слоя, переносом на подложку с опциональным удалением полимерного шаблона и рамки и получением в результате электропроводящего покрытия на подложке. Техническим результатом является обеспечение возможности создания электропроводящих структур. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

Наверх