铜元素的直接写Micro-temperature传感器到玻璃和聚(dimethylsiloxane)基板使用的飞秒激光还原模式措纳米颗粒

文摘

Micro-temperature传感器直接制作在玻璃和灵活的聚(dimethylsiloxane) (PDMS)基板使用的飞秒激光还原模式措纳米颗粒。铜/ Cu2O复合micro-temperature传感器,由Cu2O-rich传感部分和Cu-rich玻璃基板上的电极通过控制措纳米颗粒铜和Cu2O度减少。玻璃基板上的传感器有一个很大的负温度系数的电阻。PDMS基片上的导电微型图象捏造只Cu-rich微型图象。Cu-rich micro-temperature传感器PDMS基片上形成,它表现出一种积极的电阻温度系数。传感器的温度依赖性的阻力与铜和Cu2O一致。这种选择性的还原方法为捏造微器件模式功能材料是有用的。

关键字

飞秒激光,还原模式,措纳米颗粒、直写,Micro-temperature传感器

介绍

直写技术被广泛研究了精密加工过程。例如,金属和半导体导电微型图象,如Ag)、金、铜微型图象,捏造了喷墨印刷、激光烧结和激光还原烧结(1- - - - - -13]。喷墨制造包括两个步骤:使用金属纳米粒子(NP)的缩微成像油墨和退火处理对金属化(1- - - - - -6]。另一方面,激光烧结和还原烧结允许缩微成像和金属化同时进行所谓的激光直写。在环境条件下激光辐照可以执行。迄今为止,由非盟、Ag)和铜制作了微型图象的激光烧结金属NP油墨(7- - - - - -10]。在激光还原烧结铜和镍微型图象制作使用激光热化学还原氧化铜(措或铜₂分别O)和NiO NPs (11- - - - - -13]。解决金属氧化物NPs,还原剂(还原剂)和分散剂被聚焦激光辐照,导致被降低,烧结的金属氧化物NPs形成微型图象。乙二醇(EG)、丙胺、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为还原剂和分散剂,分别。在那些激光射线,连续波(CW)和纳秒激光用于烧结。激光烧结金属NPs相比,金属氧化物的还原烧结NPs导致电阻率较高的微型图象。然而,使用金属氧化物的优势激光还原烧结NPs是金属氧化物的吸收激光辐照比金属NP的更有效率。

我们还开发了飞秒激光还原模式措NPs (14- - - - - -16]。在我们的过程中,铜和铜₂O-rich微型图象可以被控制的减少措NPs (15,16]。铜/铜₂O复合micro-temperature传感器组装在玻璃基板使用选择性缩微成像过程。的铜₂O-rich传感部分是有效的,因为它大的负温度系数的电阻。Cu-rich电极的热稳定和可用于micro-temperature传感器。

措NPs用于激光还原烧结CW和纳秒激光器一般吸收激光能量有效地由于带隙能量和热导率较低。然而,反射和热导率的降低,烧结措NPs有望成为更高的激光辐照过程中因为铜生成表面的措NP方案的电影。因此,热减少减少措NPs措NPs变得困难。

到目前为止,调查的飞秒激光烧蚀和热的影响铜已被许多研究小组报道(17,18]。铜钡和高反射薄膜热导率被辐射熔化的飞秒激光脉冲,这是通过短脉冲持续时间比热扩散时间。这种优势也调查了比较飞秒,皮秒和纳秒激光烧蚀固体(19]。因此,飞秒激光脉冲在金属加工的有效热量来源。在飞秒激光还原烧结,措NP方案电影有效地降低,烧结在膜厚度方向上通过抑制热扩散和热损失引起的铜导热系数更高,即使铜薄膜上形成措NP方案电影在减少和烧结。

在本文中,我们审查的制造铜micro-temperature玻璃和灵活的保利(dimethylsiloxane)上的传感器(PDMS)基质使用飞秒激光还原模式(15,16]。首先,我们调查模式属性在玻璃和PDMS基片。然后,我们制造铜micro-temperature传感器和评估他们的属性。

实验

制造过程Micro-temperature传感器使用飞秒激光还原模式

图解插图的micro-temperature传感器使用的飞秒激光还原模式开发措NPs所示图1。首先,解决措NPs、还原剂剂和分散剂是spin-coated到基板上。然后,形成的电极和感应部分飞秒激光的热化学还原措NPs。铜和铜₂O-rich微型图象是捏造出来的通过控制飞秒激光辐照条件。最后,non-irradiated措NPs是被清洗的基质和乙醇。

飞秒激光脉冲聚焦到措NP方案胶片的表面使用一个物镜数值孔径为0.80。脉冲持续时间、波长和重复频率的飞秒光纤激光器(Toptica、FemtoFiber Pro NIR) 120 fs 780 nm和80 MHz。的最大脉冲能量样品辐照是0.62新泽西。写作是由激光扫描衬底使用XYZ机械阶段。扫描速度是不同的从0.5到20 mm / s。

材料制备

措NPs准备使用超声波混合措NPs(粒径< 50 nm;西格玛奥德里奇),如(西格玛奥德里奇)作为还原剂和PVP (Mw ~ 10000;西格玛奥德里奇)作为分散剂。措NPs的浓度,如和PVP 60 wt %, 27 wt %,分别和13 wt %。首先,如和PVP混合超声使用超声波均质器(UH-50;MST有限公司)。然后,措NPs与如此外混合超声/ PVP的解决方案。

措NP方案在7000 rpm spin-coated到基板。使用玻璃和灵活的PDMS基片,每个都有1毫米的厚度。PDMS基片准备使用的混合物PDMS Sylgard硅胶Elasomer 184年和184年Sylgard固化剂(道康宁公司)。弹性体的集中度和固化剂是10:1。治愈了PDMS烘烤30分钟在70°C。

评价微型图象和Micro-temperature传感器

水晶的微型图象检查使用x射线micro-diffractometer(无线电侦察RAPID-S;Rigaku有限公司)配备Cu-Kα辐射源。微型图象辐照在x射线光束平行到0.3毫米直径的入射角20°。捏造的电阻率微型图象检查使用四端系统(Loresta全科医生;三菱化学Analytech)。

micro-temperature传感器评估他们的电阻与温度的依赖关系。这是用电子万用表测量不同温度下控制使用热板在空气中。的亚稳Cu2Orich micro-temperature传感器的微型图象穿着大衣100 nm厚的SiO₂薄膜采用射频磁控溅射法在评价防止再氧化。

结果和讨论

线在玻璃或PDMS基片宽度

线的宽度由玻璃和PDMS基片上飞秒激光还原模式所示图2。0.54脉冲能量是新泽西。在这两个基板,线宽却降低了通过增加两个基板上的扫描速度。PDMS的线宽比玻璃相同的扫描速度。当飞秒激光脉冲辐照措NP方案电影,激光吸收并转换为热能。热能部分用于减少和烧结措NPs。然而,仍然热能量积累和扩散到措NP方案的电影。累积热能也扩散到基板。热导率较低时,累积热能很容易扩散到措NP方案电影在电影中比到基板平面方向。PDMS的导热系数是高于玻璃(20.]。因此,PDMS基片上的线是更广泛的比玻璃基板。

晶体结构和阻力的微型图象(玻璃)

微型图象用于x射线衍射(XRD)分析由光栅扫描球的玻璃基板5、10和15μm。微型图象的XRD谱的光栅扫描螺距μm 5所示图3。扫描速度是1、5、10、15、20 mm / s,脉冲能量为0.54新泽西。所有的组装微型图象包含铜、铜₂啊,错。之间有显著差异的XRD谱扫描速度> 5毫米/秒和1毫米/秒。大强度的峰值对应铜观察扫描速度> 5毫米/秒,虽然weaker-intensity峰值对应于铜观察到1毫米/秒。这些结果表明,Cu-rich Cu2O-rich微型图象是选择性地通过控制激光辐照条件下制作的。

我们比较铜的XRD衍射峰,Cu2O,措评价微型图象的还原程度。我的价值_{Cu2O (111)}/我_措(111),计算铜的峰值强度的比值₂O(111)的措(111),用于评估铜₂O的一代。我的价值_铜(111)/我_{Cu2O (111)}的比例,计算的峰值强度铜(111)铜₂O(111),用于评估铜对铜代₂O。图4 a-4c铜的程度₂O代对措捏造的微型图象扫描球5,10,15μm分别。铜₂O代增加而减少扫描螺距恒定扫描速度和脉冲能量。我的最大_{Cu2O (111)}/我_措(111)扫描速度和音调值出现的1毫米/秒和5μm,分别。到目前为止,铜₂O-rich微型图象表现出很大的负温度系数的电阻(TCR) [15]。的铜₂因此O-rich micro-temperature传感器的传感部分是在这种条件下形成的。

图4 d-4f铜对铜的程度₂O在扫描球5、10和15μm,分别。我的最大价值_铜(111)/我_{Cu2O (111)}发生10毫米/秒的扫描速度和扫描15μm距。相比之下,我的价值_{Cu2O (111)}/我_铜(111)在距15μm一样低¢€’0.4,0.1所示图4 f。这个相对较低的铜₂O代用于形成低阻Cu-rich微型图象的扫描速度15毫米/秒的脉冲能量0.45新泽西,如图所示图4 d和4 e。micro-temperature的Cu-rich电极传感器也可以使用这个激光辐照条件制作的。

铜₂O代总激光能量增加。然而,最大的铜代发生相对更高的激光扫描15 mm / s的速度,即,而不是通过增加激光能量。这表明,铜₂O再氧化生成的减少铜的扫描速度是1毫米/秒。

电铜的电阻率₂O -和Cu-rich微型图象是9 ~ 10Ωm ~μΩm,分别微型图象被假定为8μm厚。

晶体结构和阻力的微型图象(PDMS)

图5XRD结果显示PDMS基片上的微型图象。脉冲能量为0.54 nJ和扫描速度是0.5,1.5,10,15日和20毫米/秒。在玻璃基板上的微型图象相比,微型图象PDMS基片上的脉冲能量0.54 nJ和扫描速度的1毫米/ s比铜含有更多的铜₂o .通过增加总辐照能量通过减少扫描速度、铜₂O-rich微型图象reoxidizing获得减少铜的扫描速度0.5毫米/秒。这些结果表明,PDMS的缩微成像不容易reoxidize铜。有两个可能的原因。一是行PDMS基片是更广泛的比玻璃的,如图所示图2。因此,减少了PDMS基体上铜的体积大于玻璃基板。当铜的体积较低的热导率增加,它阻止了微型图象reoxidizing在激光光栅扫描。第二个可能的原因是,PDMS基片本身作为还原剂时措NP方案及其潜在的PDMS基片被飞秒激光辐照加热。PDMS比玻璃更不稳定的材料。此外,它包括碳和氢原子这可能减少铜氧化物如铜₂O和措。结果,再氧化可能是预防的PDMS基片上的固化等。

评估对铜铜一代₂O, x射线衍射峰强度比,我_铜(111)/我_{Cu2O (111)}计算相同的方式,对微型图象在玻璃基板上。图6显示了扫描速度的依赖强度比我_铜(111)/我_{Cu2O (111)}。脉冲能量是0.44,0.54,和0.62新泽西。最大的铜对铜代₂O是获得15毫米/秒的扫描速度和脉冲能量0.54新泽西。微型图象捏造的脉冲能量0.54新泽西给最大的铜对铜代₂o .这个结果表明,微观结构的脉冲能量的0.62 nJ reoxidized过度总激光能量,导致铜₂O reoxidizing生成的减少铜微型图象。然而,微型图象捏造的脉冲能量最低0.44 nJ包含铜对铜比例₂o .我们认为较低的总激光能量导致较低的铜生成和更高的铜₂O的一代。

图7展示了微型图象的电阻率之间的关系的脉冲能量0.54 nJ和扫描速度。微型图象20毫米,宽0.5毫米。~ 8μm膜厚度。当扫描速度是0.5毫米/秒(即。,唯一的铜₂O-rich代条件),微型图象不导电。一个微型图象的光学显微镜图像的插图所示图7。可以看到大量微裂隙表面的微型图象,表明他们不导电。这些微裂隙可能形成的扩张和收缩引起的PDMS基片过度加热和冷却。电阻率最低的微型图象获得的扫描速度15 mm / s。通过比较对铜铜一代₂O在微型图象,如所示图6,我们看到,那些最大的铜这些激光辐照条件下导电率最高。因此,微观结构的铜代率与电阻率是一致的。

制造的铜Micro-temperature传感器

图8显示micro-temperature可见光谱线传感器制作的设计使用飞秒激光还原措NPs的模式。玻璃和PDMS基片上的传感部分是铜₂分别O-rich和Cu-rich微型图象。

铜/铜₂O复合micro-temperature传感器是在玻璃基板上制作的。的铜₂O-rich传感部分和Cu-rich电极选择性地通过控制激光辐照条件下制作的。的铜₂O——Cu-rich微型图象都写在扫描速度和脉冲能量下1毫米/秒和0.54新泽西,新泽西和15毫米/秒,0.45,分别。图9显示了一个铜制作的光学显微镜图像₂O-rich传感部分和Cu-rich电极。后non-irradiated措NPs是移除和SiO₂薄膜是穿着大衣到铜₂O-rich传感部分的电阻micro-temperature传感器测量不同温度下热板。对温度的依赖关系的电阻micro-temperature传感器所示图9 b。电阻随温度的增加,25.73 MΩ30°C。这个值~ 10 MΩ比使用电铜的电阻率的估计₂O -和Cu-rich微型图象,即9 ~ 10Ωm ~μΩm,分别。的TCR micro-temperature传感器是-5.5×10³/°C。这种消极的价值识别与半导体铜是一致的₂O。

一个Cu-rich micro-temperature传感器是PDMS基片上制作的。图10和10 b显示出光学显微镜图像和阻力,对温度的依赖关系。的识别是一个积极的晶体结构是一致的Cu-rich微型图象。

通过比较铜₂O -和Cu-rich micro-temperature传感器,我们发现铜₂O-rich一个是更敏感。金属铜的绝对TCR值大于半导体铜₂o . micro-temperature传感器的电阻特性和散装材料特性是一致的。这飞秒激光还原模式是一个有利的微器件制造,包括功能复合材料。

结论

我们制作的两种类型micro-temperature传感器使用飞秒激光还原措NPs的模式。铜/铜₂O复合micro-temperature传感器包含一个铜₂O-rich传感部分和Cu-rich电极被选择性的降低措NPs由激光辐照控制。Cu-rich micro-temperature传感器制作在灵活的PDMS基片。这飞秒激光还原模式便于制作微器件。

确认

本研究是纳米技术平台支持的部分项目(微纳制造)教育部,文化、体育、科技、日本(下边了),由联席战略创新推广计划23 (SIP)的新能源和工业技术发展组织(NEDO),和的Amada基金会(af - 2014206)。

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