RU2574249C2 - Network micro- and nanostructure, in particular for optically transparent conductive coatings, and method for obtaining thereof - Google Patents
Network micro- and nanostructure, in particular for optically transparent conductive coatings, and method for obtaining thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574249C2 RU2574249C2 RU2013141222/05A RU2013141222A RU2574249C2 RU 2574249 C2 RU2574249 C2 RU 2574249C2 RU 2013141222/05 A RU2013141222/05 A RU 2013141222/05A RU 2013141222 A RU2013141222 A RU 2013141222A RU 2574249 C2 RU2574249 C2 RU 2574249C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- layer
- micro
- cracks
- template
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title abstract description 56
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 105
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 36
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 29
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 26
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 21
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 15
- 239000012705 liquid precursor Substances 0.000 claims description 14
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 12
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 12
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 10
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 claims description 8
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 claims description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 6
- 239000011370 conductive nanoparticle Substances 0.000 claims description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 4
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 claims description 4
- 150000003378 silver Chemical class 0.000 claims description 4
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 claims description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 5
- 238000001459 lithography Methods 0.000 abstract description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 109
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 26
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 18
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 12
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 12
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 11
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 8
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 8
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 6
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 4
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 4
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 3
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 3
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 2
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 229920000249 biocompatible polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002977 biomimetic material Substances 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000013043 chemical agent Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000000469 dry deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010981 drying operation Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 230000008570 general process Effects 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000013076 target substance Substances 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Группа изобретений относится к микро- и наноструктурированным покрытиям, применяемым в таких областях, как прозрачные проводящие покрытия, в частности оптически прозрачные проводящие покрытия, светопоглощающие и светопреобразующие слои для оптических и фотовольтаических устройств, самоочищающиеся поверхности, биомиметические материалы, селективные и несущие слои мембран, катализаторы и др., и к способу их получения.The group of inventions relates to micro- and nanostructured coatings used in such fields as transparent conductive coatings, in particular optically transparent conductive coatings, light-absorbing and light-converting layers for optical and photovoltaic devices, self-cleaning surfaces, biomimetic materials, selective and supporting membrane layers, catalysts and others, and to a method for their preparation.
Существует возрастающая потребность в микро- и наноструктурированных покрытиях, которые формировались бы на больших площадях и имели бы малую удельную стоимость. Указанные покрытия применяемы в таких областях, как прозрачные проводящие покрытия, в частности оптически прозрачные проводящие покрытия (Hu, L. В., Wu, Н. & Cui, Y. Mater. Res. Soc. Bull. 36, 760-765 (2011)), светопоглощающие и светопреобразующие слои для оптических и фотовольтаических устройств (Garnett Е and Yang Р 2010 Nano Lett. 10 1082; Kang M G, Xu T, Park H J, Luo X and Guo L J. 2010. Adv. Mater. 22 4378; Ahn S W, Lee K D, Kim J S, Kim S H, Park J D, Lee S H and Yoon P W 2005 Nanotechnology 16 1874; Kwak M K, Kim T, Kim P, Lee H H and Suh K Y. 2009. Small 5 928; Chanda D, Shigeta K, Gupta S, Cain T, Carlson A, Mihi A, Baca A J, Bogart G R, Braun P and Rogers J A. 2011. Nature Nanotechnol. 6 402; Shalaev V M. 2007. Nature Photon. 1 41), самоочищающиеся поверхности (Jeong H E, Kwak M K, Park С I and Suh К Y. 2009. J. Colloid Interface Sci. 339 202; Lau K K S, Bico J, Тео K В K, Chhowalla M, Amaratunga G A J, Milne W I, McKinley G H and Gleason K K. 2003. Nano Lett. 3 1701), биомиметические материалы (Kwak M K, Pang С, Jeong Н Е, Kim Н N, Yoon Н, Jung Н S and Suh K Y. 2011. Adv. Funct. Mater. 21 3606), селективные и несущие слои мембран (патент RU 2389536, МПК В01D 71/00, опубликованный 20.05.2010) и др.There is an increasing need for micro- and nanostructured coatings that would form over large areas and have a low unit cost. These coatings are used in fields such as transparent conductive coatings, in particular optically transparent conductive coatings (Hu, L. B., Wu, H. & Cui, Y. Mater. Res. Soc. Bull. 36, 760-765 (2011 )), light-absorbing and light-converting layers for optical and photovoltaic devices (Garnett Е and Yang Р 2010 Nano Lett. 10 1082; Kang MG, Xu T, Park HJ, Luo X and Guo L J. 2010. Adv. Mater. 22 4378; Ahn SW, Lee KD, Kim JS, Kim SH, Park JD, Lee SH and Yoon PW 2005 Nanotechnology 16 1874; Kwak MK, Kim T, Kim P, Lee HH and Suh K Y. 2009. Small 5 928; Chanda D, Shigeta K, Gupta S, Cain T, Carlson A, Mihi A, Baca AJ, Bogart GR, Braun P and Rogers J A. 2011. Nature Nanotechnol. 6 402; Shalaev V M. 2007. Nature Photon. 1 41), self-cleaning on top aws (Jeong HE, Kwak MK, Park C I and Suh K Y. 2009. J. Colloid Interface Sci. 339 202; Lau KKS, Bico J, Theo K B K, Chhowalla M, Amaratunga GAJ, Milne WI, McKinley GH and Gleason K K. 2003. Nano Lett. 3 1701), biomimetic materials (Kwak MK, Pang C, Jeong H E, Kim H N, Yoon H, Jung H S and Suh K Y. 2011. Adv. Funct. Mater. 21 3606), selective and supporting layers of membranes (patent RU 2389536, IPC B01D 71/00, published 05/20/2010), etc.
Существующие методы задания микро- и наноструктурированных покрытий, основанные на методах оптической или импринт-литографии (Moon Kyu Kwak, Jong G Ok, Jae Yong Lee et al. Nanotechnology 23 (2012) 344008 (6pp); Ahn S H and Guo L J. 2008. Adv. Mater. 20 2044; Ahn S H, Kim J S and Guo L. 2007. J. Vac. Sci. Technol. В 25 2388; Henzie J, Barton J E, Stender С L and Odom T W. 2006. Acc. Chem. Res. 39 249; Lee T W, Jeon S, Maria J, Zaumseil J, Hsu J W P and Rogers J A. 2005. Adv. Funct. Mater. 15 1435; Rogers J A, Paul K E, Jackman R J and Whitesides G M. 1997. Appl. Phys. Lett. 70 2658), не обеспечивают производительность и стоимостные параметры, необходимые для приложений, связанных с большими площадями покрытий.Existing methods for specifying micro- and nanostructured coatings based on optical or imprint lithography (Moon Kyu Kwak, Jong G Ok, Jae Yong Lee et al. Nanotechnology 23 (2012) 344008 (6pp); Ahn SH and Guo L J. 2008 Adv. Mater. 20 2044; Ahn SH, Kim JS and Guo L. 2007. J. Vac. Sci. Technol. 25,2388; Henzie J, Barton JE, Stender C L and Odom T W. 2006. Acc. Chem Res. 39,249; Lee TW, Jeon S, Maria J, Zaumseil J, Hsu JWP and Rogers J A. 2005. Adv. Funct. Mater. 15 1435; Rogers JA, Paul KE, Jackman RJ and Whitesides G M. 1997 . Appl. Phys. Lett. 70 2658), do not provide the performance and cost parameters required for applications associated with large areas of coverage.
Поэтому, в частности, такие объекты, как оптически прозрачные проводящие покрытия, в настоящее время изготавливаются иными методами. Проводящие покрытия, обладающие оптической прозрачностью, а также прозрачностью в других диапазонах спектра, имеют существенное практическое значение. Они находят свое применение для изготовления таких объектов техники, как электрообогреваемые и электрохромные стекла, панели для дисплеев, в том числе сенсорные (тачскрины), электроды для органических светодиодов, электронной бумаги, солнечных батарей, различных оптоэлектронных приборов, подложки для электростимулированного роста живых клеток, защита от электростатики и системы экранирования электромагнитных полей и др.Therefore, in particular, objects such as optically transparent conductive coatings are currently manufactured by other methods. Conductive coatings with optical transparency, as well as transparency in other spectral ranges, are of practical importance. They find their application in the manufacture of such technical objects as electric heated and electrochromic glasses, display panels, including touchscreens (touchscreens), electrodes for organic LEDs, electronic paper, solar panels, various optoelectronic devices, substrates for the electrostimulated growth of living cells, protection against electrostatics and shielding systems of electromagnetic fields, etc.
Для прозрачных проводящих покрытий определяющими техническими параметрами являются удельное поверхностное сопротивление и коэффициент прозрачности. Для ряда приложений существенное значение имеют также: спектр прозрачности (зависимость прозрачности от длины волны), химическая стойкость покрытия, его механическая гибкость и устойчивость к циклическим механическим деформациям, спектр материалов подложек, которые допустимы с точки зрения технологического процесса формирования покрытия, допустимые геометрия и размеры подложек и др. Основным экономическим параметром является себестоимость формирования единицы площади прозрачного покрытия.For transparent conductive coatings, the determining technical parameters are specific surface resistance and transparency coefficient. For a number of applications, the transparency spectrum (the dependence of transparency on wavelength), the chemical resistance of the coating, its mechanical flexibility and resistance to cyclic mechanical deformations, the spectrum of substrate materials that are acceptable from the point of view of the technological process of coating formation, acceptable geometry and dimensions are also significant. substrates, etc. The main economic parameter is the cost of forming a unit area of a transparent coating.
В существующий уровень техники входят целый спектр решений, в той или иной степени обеспечивающих требования к указанным параметрам прозрачных проводящих покрытий. Однако каждое из имеющихся решений имеет существенные недостатки.The current level of technology includes a whole range of solutions, to one degree or another, providing requirements for the specified parameters of transparent conductive coatings. However, each of the available solutions has significant drawbacks.
На текущий момент наиболее распространенным техническим решением является применение покрытий, выполненных на основе проводящих оксидов металлов. В частности, широкое распространение получило покрытие на основе индий-оловянного оксида (ITO) (патент GB 2361245, класс МПК С03С 17/245, опубликованный 17.10.2001, заявка на выдачу патента KR 20130027991, класс МПК H01L 33/36, опубликованная 18.03.2013, и др.). К основным недостаткам покрытий данного типа следует отнести относительно высокую стоимость и прогноз ее повышения (истощение запасов индия), существенные ограничения по допустимым подложкам (обусловлено методом формирования), существенную потерю прозрачности в ИК-области спектра, низкие механическую гибкость и эластичность. К преимуществам относится высокое соотношение оптической прозрачности и поверхностного сопротивления: порядка 10 Ом/квадрат при 90% прозрачности.Currently, the most common technical solution is the use of coatings based on conductive metal oxides. In particular, a coating based on indium tin oxide (ITO) was widely used (patent GB 2361245, IPC class C03C 17/245, published October 10, 2001, application for the grant of patent KR 20130027991, class IPC H01L 33/36, published March 18. 2013, etc.). The main disadvantages of coatings of this type include the relatively high cost and the forecast for its increase (depletion of indium reserves), significant limitations on acceptable substrates (due to the formation method), a significant loss of transparency in the infrared region of the spectrum, and low mechanical flexibility and elasticity. Advantages include a high ratio of optical transparency to surface resistance: about 10 ohms / square at 90% transparency.
В последнее время все большее развитие получают альтернативные методы формирования прозрачных проводящих покрытий, в частности, с использованием в качестве покрытия системы нанопроволок (нанопроводники с высоким аспектным соотношением; частный случай наностержней, которые также являются нанообъектами с высоким аспектным соотношением, но могут не являться проводниками). Одним из основных ответвлений данного направления является использование в качестве нанопроволок одностенных углеродных нанотрубок (Zhang, М. et al. Science 309, 1215-1219 (2005); Hecht, D. S., Hu, L. B. & Irvin, G. Adv. Mater. 23, 1482-1513 (2011)). В рамках данного подхода углеродные нанотрубки наносятся различным образом на подложку (тот или иной вариант осаждения из коллоида, сухое нанесение и др.) или выращиваются на подложке методом осаждения из газовой фазы. К преимуществам покрытий на основе углеродных нанотрубок следует отнести механическую гибкость получаемых покрытий, сохранение прозрачности в ИК-области спектра, повышенную химическую стойкость, возможность использования более широкого спектра подложек (в общем случае). Однако имеются и существенные недостатки. Высокую оптическую прозрачность могут обеспечить только покрытия на основе одностенных углеродных нанотрубок и их пучков, что, с учетом текущей рыночной стоимости материала одностенных нанотрубок, обуславливает относительно высокую себестоимость покрытий данного типа. Кроме того, входящие в существующий уровень техники покрытия на основе углеродных нанотрубок имеют относительно высокое поверхностное сопротивление - от 100 Ом/квадрат и выше (A. Kaskela, A.G. Nasibulin, M.Y. Timmermans et al. Nano Lett. 2010, 10, 4349-4355) при прозрачности на уровне 90%, в то время как сопротивление покрытий на основе ITO при аналогичной прозрачности может составлять менее 10 Ом/квадрат.Recently, alternative methods of forming transparent conductive coatings have been increasingly developed, in particular, using a system of nanowires as a coating (nanowires with a high aspect ratio; a special case of nanorods, which are also nanoparticles with a high aspect ratio, but may not be conductors) . One of the main branches of this direction is the use of single-walled carbon nanotubes as nanowires (Zhang, M. et al. Science 309, 1215-1219 (2005); Hecht, DS, Hu, LB & Irvin, G. Adv. Mater. 23, 1482-1513 (2011)). In the framework of this approach, carbon nanotubes are deposited in various ways on a substrate (one or another variant of deposition from a colloid, dry deposition, etc.) or grown on a substrate by the method of deposition from the gas phase. The advantages of coatings based on carbon nanotubes include the mechanical flexibility of the coatings obtained, preservation of transparency in the infrared region of the spectrum, increased chemical resistance, and the possibility of using a wider range of substrates (in the general case). However, there are significant disadvantages. High optical transparency can be provided only by coatings based on single-walled carbon nanotubes and their bundles, which, taking into account the current market value of the material of single-walled nanotubes, leads to a relatively high cost of coatings of this type. In addition, carbon nanotube-based coatings of the state of the art have a relatively high surface resistance of 100 Ohm / square and higher (A. Kaskela, AG Nasibulin, MY Timmermans et al. Nano Lett. 2010, 10, 4349-4355) with a transparency of 90%, while the resistance of ITO-based coatings with a similar transparency can be less than 10 ohms / square.
Для уменьшения поверхностного сопротивления применяются подходы комбинирования углеродных нанотрубок с проводящим полимером, проводящими наночастицами, графеновыми островками и др., однако в целом сопротивление таких покрытий все еще существенно не достигает уровня ITO. В последнее время начинает активно развиваться другое ответвление технологии прозрачных проводящих покрытий на основе нанопроволок, а именно покрытия на основе системы металлических нанопроволок определенной геометрии (Н. Wu, D. Kong, Z. Ruan. Nature nanotechnology. 10.1038/NNANO.2013.84; De, S. et al. ACS Nano 3, 1767-1774 (2009); Garnett, E. C. et al. Nature Mater. 11, 241-249 (2012); заявка на выдачу патента US 2009129004, класс МПК B05D 5/12, опубликованная 21.05.2009). Металлические микро и нанопроводники имеют зонную структуру, схожую с многостенными УНТ, и механизм прозрачности итогового покрытия основан на наличии протяженных свободных окон между проводниками (в то время как слой одностенных УНТ, как правило, практически полностью заполняет поверхность и обладает прозрачностью лишь в силу уникальной электронной структуры одностенной УНТ). В отличие от одностенных УНТ, на металлических проводниках свет поглощается, однако усредненные параметры прозрачности могут быть достаточно велики (особенно с учетом эффекта дифракции света на проводниках, вклад которой растет при приближении ширины проводника к 1,0-0,3 мкм). На текущий момент, данный класс покрытий показывает свою высокую перспективность и способность обеспечить существенные преимущества относительно других типов покрытий. Так, в работе (Н. Wu, D. Kong, Z. Ruan. Nature nanotechnology. 10.1038/NNANO.2013.84) было показано, что покрытия на основе системы металлических нанопроволок могут обеспечить поверхностное сопротивление до 2 Ом/квадрат при прозрачности 90%, при этом в отличие от ITO, покрытие характеризуется высокой механической гибкостью, рекордно ровной спектральной характеристикой, а также допускает применение широчайшего спектра подложек. Основным текущим недостатком предложенных покрытий на основе металлических нанопроволок является их относительно высокая стоимость. Так, покрытие, предложенное в указанной работе (Н. Wu, D. Kong, Z. Ruan. Nature nanotechnology. 10.1038/NNANO.2013.84), предполагает формирование подвешенного темплата из полимерного нановолокна методом электроспиннинга, с последующим вакуумным напылением на подвешенную систему нановолокон металлического слоя, перенесение подвешенной системы на целевую подложку, вытравливание полимерного волокна, с сохранением металлической оболочки. При этом на подложке формируется система протяженных металлических «наножелобков» шириной около 400 нм и толщиной около 80 нм. Относительно высокую стоимость данного метода обуславливают использование процессов вакуумного напыления металла и электроспиннинга (последовательное нанесение на проводящую рамку системы подвешенных полимерных нановолокон). Кроме того, допустимые размеры рамки, на которой формируется подвешенный слой нановолокон, на текущий момент ограничены величиной 6 дюймов.To reduce surface resistance, approaches are used to combine carbon nanotubes with a conductive polymer, conductive nanoparticles, graphene islands, etc., however, in general, the resistance of such coatings still does not significantly reach the ITO level. Recently, another branch of the technology of transparent conductive coatings based on nanowires, namely coatings based on a system of metal nanowires of a certain geometry (N. Wu, D. Kong, Z. Ruan. Nature nanotechnology. 10.1038 / NNANO.2013.84; De, S. et al. ACS Nano 3, 1767-1774 (2009); Garnett, EC et al. Nature Mater. 11, 241-249 (2012); patent application US 2009129004,
В качестве аналогов предлагаемого изобретения следует выделить также ряд технических решений, основанных на получении сетки проводников в результате процесса самоорганизации, имеющего место при высыхании на подложке эмульсий, содержащих наночастицы. Так, в заявке на выдачу патента US 2011003141, класс МПК В32В 5/16, опубликованной 06.01.2011, раскрывается способ получения микроструктурированного изделия, включающий формирование сети соединенных друг с другом дорожек, состоящих из наночастиц, окружающих ячейки (кластеры) произвольной формы на поверхности подложки, посредством агрегирования (сборки) указанных наночастиц из эмульсии. Также в указанном патенте раскрывается структура, состоящая из сети соединенных дорожек, окружающих ячейки произвольной формы, где указанные соединенные дорожки состоят из как минимум частично соединенных наночастиц.As analogues of the present invention, it is also worth highlighting a number of technical solutions based on obtaining a network of conductors as a result of the self-organization process that occurs when emulsions containing nanoparticles are dried on a substrate. So, in the patent application US 2011003141,
В международной заявке WO 2012170684, класс МПК B05D 5/12, опубликованной 13.12.2012, раскрывается способ получения изделия, включающий а) обеспечение смеси, содержащей нелетучую компоненту в летучем жидком носителе, где жидкий носитель представляет собой эмульсию, включающую непрерывную фазу и вторую фазу, где вторая фаза в форме доменов, диспергированных в непрерывной фазе; б) покрытие указанной смесью поверхности исходной подложки и высушивание указанной смеси для удаления жидкого носителя, с приложением внешней силы во время нанесения и/или высыхания для обеспечения селективного роста указанных диспергированных доменов, относительно непрерывной фазы, в выбранных областях подложки, после чего указанная нелетучая компонента самоорганизуется и формирует покрытие в виде структуры, которая включает дорожки, окружающие ячейки, имеющие регулярное расположение, определяемое конфигурацией внешней силы на поверхности подложки.International application WO 2012170684,
В патенте US 2011273085, класс МПК B05D 5/12, опубликованной 10.11.2011, раскрывается способ получения изделия, включающий: а) приложение жидкой эмульсии, состоящей из непрерывной фазы, включающей проводящие наночастицы, к поверхности подложки; б) высушивание эмульсии и затем формирование прозрачного проводящего покрытия, включающего сетчатую структуру дорожек, сформированных из как минимум частично соединенных наночастиц, окружающих случайной формы ячейки, в основном прозрачные для света, и где как минимум часть указанных ячеек заполнена наполнителем.In the patent US 2011273085,
В основе указанных технических решений лежит общий процесс самоорганизации, механизм которого отличается от предлагаемого в настоящем изобретении и заключается в следующем. Используется эмульсия, которая представляет собой две несмешивающиеся жидкости (например, масло и вода). Одна из жидкостей присутствует в первой жидкости в виде доменов (капель). При высаживании на подложку эти капли формируют систему ячеек (кластеров), окруженных первой жидкостью. В первой жидкости также присутствуют наночастицы твердого вещества, которые не могут проникнуть во вторую жидкость (т.е. ячейки остаются свободными от наночастиц). При высыхании первой жидкости наночастицы стягиваются в дорожки, окаймляющие капли второй жидкости. После удаления указанных капель остается сеть дорожек, образованных из слипшихся наночастиц.The basis of these technical solutions is the general process of self-organization, the mechanism of which differs from that proposed in the present invention and is as follows. An emulsion is used, which is two immiscible liquids (for example, oil and water). One of the fluids is present in the first fluid in the form of domains (droplets). When planted on a substrate, these drops form a system of cells (clusters) surrounded by a first liquid. The first liquid also contains solid nanoparticles that cannot penetrate the second liquid (i.e., the cells remain free of nanoparticles). When the first liquid dries, the nanoparticles are pulled together into paths bordering the drops of the second liquid. After removal of the indicated droplets, a network of tracks formed from adhered nanoparticles remains.
Как и в случае предлагаемого изобретения, рассмотренные технические решения имеют то преимущество, что используют процесс самоорганизации и позволяют простым способом получить микро- и наноструктурированную поверхность в виде сетки проводящих дорожек. Однако с рассмотренными техническими решениями связан ряд недостатков.As in the case of the present invention, the considered technical solutions have the advantage that they use the self-organization process and allow a simple way to obtain a micro- and nanostructured surface in the form of a grid of conductive tracks. However, a number of disadvantages are associated with the considered technical solutions.
- Проводящие дорожки формируются из находящихся как минимум в частичном контакте друг с другом наночастиц. Это обуславливает включение в общее сопротивление получаемой структуры контактных сопротивлений между отдельными наночастицами, что понижает достижимую проводимость получаемой сетки. Эта же причина обуславливает понижение механической прочности получаемой сетки относительно случая сетки, выполненной в виде единой структуры.- The conductive paths are formed from nanoparticles that are at least partially in contact with each other. This leads to the inclusion of contact resistances between individual nanoparticles in the overall resistance of the resulting structure, which reduces the achievable conductivity of the resulting network. The same reason leads to a decrease in the mechanical strength of the resulting mesh relative to the case of a mesh made in the form of a single structure.
- Способ обуславливает наложение существенных ограничений на спектр допустимых материалов используемых наночастиц, поскольку предполагается диспергирование указанных наночастиц в жидком носителе. Так, большинство металлов подвергаются окислению при контакте с жидкостями, что особенно актуально для наночастиц, с их повышенной реакционной способностью. Поэтому проводящие свойства могут сохранять только наночастицы из благородных металлов или металлов, имеющих проводящие оксиды. Кроме того, на допустимые материалы наночастиц накладываются ограничения, связанные с их способностью формировать стабильный коллоид в первой жидкости. Решение данной задачи, как правило, связано с применением поверхностно-активных веществ (ПАВ), что дополнительно усложняет технологию и порождает проблему удаления остатков ПАВ с наночастиц в итоговой структуре, с целью улучшения электрического контакта наночастиц друг с другом. Следует отметить, что в любом случае первая жидкость, содержащая наночастицы, при своем испарении будет оставлять на поверхности наночастиц слой примесей, влияющий на контакт наночастиц. Это является неотъемлемым свойством способов, основанных на осаждении объектов из жидкой фазы.- The method causes the imposition of significant restrictions on the range of acceptable materials used nanoparticles, since it is expected dispersion of these nanoparticles in a liquid carrier. So, most metals undergo oxidation upon contact with liquids, which is especially important for nanoparticles, with their increased reactivity. Therefore, only nanoparticles of noble metals or metals having conductive oxides can retain conductive properties. In addition, the permissible materials of the nanoparticles are subject to restrictions related to their ability to form a stable colloid in the first liquid. The solution to this problem is usually associated with the use of surface-active substances (surfactants), which further complicates the technology and raises the problem of removing surfactant residues from nanoparticles in the final structure, in order to improve the electrical contact of the nanoparticles with each other. It should be noted that in any case, the first liquid containing nanoparticles, upon evaporation, will leave an impurity layer on the surface of the nanoparticles, which affects the contact of the nanoparticles. This is an integral property of methods based on the deposition of objects from the liquid phase.
- Способ обуславливает наложение существенных ограничений на соотношение ширины и толщины дорожек, получаемых при агломерации наночастиц, поскольку эти дорожки формируются капиллярными силами. При высыхании первой жидкости ее капиллярная поверхность стягивается и трамбует частицы в виде дорожек. Однако капиллярные силы стремятся минимизировать разницу ширины и толщины дрожки (закон минимизации площади поверхности приводит к эффекту скругления), поэтому теряется степень свободы по произвольному варьированию указанного соотношения, что в свою очередь может иметь значение для ряда конечных приложений (например, для оптически прозрачных покрытий). Кроме того, указанный эффект минимизации площади поверхности жидкой фазой приводит к скруглению углов получаемых ячеек, что, в частности, приводит к утолщению дорожек в местах их пересечения, что может иметь значение для ряда конечных приложений, так как увеличивается неоднородность дорожек по ширине. В частности, это может приводить к уменьшению общего коэффициента прозрачности структуры (места расширения дорожек занимают дополнительную площадь).- The method causes the imposition of significant restrictions on the ratio of the width and thickness of the tracks obtained during the agglomeration of nanoparticles, since these tracks are formed by capillary forces. When the first liquid dries, its capillary surface contracts and compacts the particles in the form of tracks. However, capillary forces tend to minimize the difference in the width and thickness of the yeast (the law of minimizing the surface area leads to a rounding effect), therefore, the degree of freedom in arbitrary variation of this ratio is lost, which in turn can be important for a number of end applications (for example, for optically transparent coatings) . In addition, the indicated effect of minimizing the surface area with the liquid phase leads to a rounding of the corners of the resulting cells, which, in particular, leads to a thickening of the tracks at their intersections, which may be important for a number of end applications, since the heterogeneity of the tracks in width increases. In particular, this can lead to a decrease in the overall transparency coefficient of the structure (the places where the tracks expand take up additional area).
- Капиллярная природа механизма формирования рассматриваемых структур накладывает ограничения также на допустимое соотношение размера ячеек и ширины дорожек между ними, поскольку с ростом величины ячейки (т.е. с ростом диаметра исходной капли второй жидкости) и уменьшением ширины дорожки (т.е. с уменьшением ширины исходного слоя первой жидкости), растет вероятность того, что две соседние капли второй жидкости преодолеют прослойку из первой жидкости и сольются, минимизировав тем самым свою свободную энергию. Поэтому при наличии требования роста размера ячеек, возникает эффект увеличения ширины дорожек, разделяющих ячейки. Это ограничение является неотъемлемым следствием капиллярных сил, лежащих в основе формирования структуры посредством взаимодействия двух жидких фаз.- The capillary nature of the mechanism of formation of the structures under consideration also imposes restrictions on the allowable ratio of the cell size and the width of the tracks between them, since with increasing cell size (i.e., with increasing diameter of the initial drop of the second liquid) and decreasing track width (i.e. with decreasing the width of the initial layer of the first liquid), the likelihood that two adjacent drops of the second liquid will overcome the layer of the first liquid and merge, thereby minimizing their free energy. Therefore, if there is a requirement for cell size growth, the effect of increasing the width of the tracks separating the cells occurs. This limitation is an integral consequence of the capillary forces underlying the formation of the structure through the interaction of two liquid phases.
Известно также техническое решение (см. заявку US 2009129004), которое выбрано в качестве ближайшего аналога предлагаемой структуры, в котором описан прозрачный проводник, включающий: подложку, проводящий слой на указанной подложке, проводящий слой включает множество металлических нанопроводников. Указывается, что данное решение обеспечивает сочетание высокой электрической проводимости и оптической прозрачности с высокой механической гибкостью. Также указывается на достижение высокой отказоустойчивости, что связывается с тем, что в случае если повредилась какая-то отдельная проводящая дорожка, наличие большого числа проводящих дорожек (в данном случае - нанопроводников и их цепочек) позволяет обеспечивать пути для протекания тока.A technical solution is also known (see application US 2009129004), which is selected as the closest analogue of the proposed structure, which describes a transparent conductor, including: a substrate, a conductive layer on the specified substrate, the conductive layer includes many metal nanoconductors. It is indicated that this solution provides a combination of high electrical conductivity and optical transparency with high mechanical flexibility. It also indicates the achievement of high fault tolerance, which is due to the fact that if some separate conductive path is damaged, the presence of a large number of conductive paths (in this case, nanoconductors and their chains) allows you to provide paths for current flow.
К недостаткам указанной структуры следует отнести:The disadvantages of this structure include:
- в общем случае структура включает в себя контактные сопротивления, которые всегда имеют место между отдельными нанопроводниками, составляющими множество нанопроводников;- in the General case, the structure includes contact resistances, which always occur between individual nanoconductors that make up many nanoconductors;
- используются исключительно нанопроводники. То есть объекты, один из размеров которых составляет менее 100 нм. Для ряда приложений более целесообразным, с технической и технологической точек зрения, может быть использование объектов микродиапазона;- exclusively nanowires are used. That is, objects whose one size is less than 100 nm. For a number of applications, it may be more appropriate, from a technical and technological point of view, to use micro-range objects;
- используются исключительно проводники. Для ряда приложений более целесообразным, с технической и технологической точек зрения, может быть использование сетки непроводящих дорожек. Например, сетки дорожек, выполненных из полимерного материала. В частности, материала, обладающего определенной биологической совместимостью (например, для приложения в области биомиметических покрытий);- only conductors are used. For a number of applications, it may be more appropriate, from a technical and technological point of view, to use a grid of non-conductive tracks. For example, mesh tracks made of polymeric material. In particular, a material having a certain biocompatibility (for example, for application in the field of biomimetic coatings);
- в общем случае расположение нанопроводников на подложке является случайным, в то время как для ряда приложений требуется обеспечить определенную величину и разброс зазоров между нанопроводниками (то есть величину и разброс размеров окон в сетке). Это может быть актуально, например, для оптически прозрачных покрытий, мембран, сверхгидрофобных (самоочищающихся) материалов, биомиметических покрытий и др.- in the general case, the arrangement of nanoconductors on a substrate is random, while for a number of applications it is necessary to provide a certain size and spread of gaps between nanoconductors (that is, the size and spread of window sizes in the grid). This may be relevant, for example, for optically transparent coatings, membranes, superhydrophobic (self-cleaning) materials, biomimetic coatings, etc.
Также из указанного технического решения известен способ формирования прозрачного проводника, включающий: осаждение множества металлических нанопроводников, диспергированных в жидкости, на поверхность подложки и формирование сетки металлических нанопроводников на подложке при высыхании указанной жидкости. К недостаткам способа следует отнести:Also, from the indicated technical solution, there is known a method for forming a transparent conductor, comprising: depositing a plurality of metal nanoconductors dispersed in a liquid onto a surface of a substrate and forming a network of metal nanoconductors on a substrate when said liquid is dried. The disadvantages of the method include:
- потребность в осуществлении операции предварительного синтеза металлических нанопроводников, которые затем диспергируются в указанной жидкости. Сама по себе операция синтеза металлических нанопроводников не является тривиальной с технологической точки зрения и в общем случае связана с теми или иными ограничениями (технологическая сложность, ограничения по удельной проводимости, наличие в получаемых нанопроводниках дефектов и примесей, ограничения по аспектному соотношению получаемых нанопроводников, их спутанность и др.);- the need for the operation of preliminary synthesis of metal nanoconductors, which are then dispersed in the specified liquid. The operation of synthesizing metal nanoconductors per se is not trivial from a technological point of view and is generally associated with certain restrictions (technological complexity, limitations on specific conductivity, the presence of defects and impurities in the nanoconductors obtained, restrictions on the aspect ratio of the nanoconductors obtained, and their confusion and etc.);
- потребность в операции осаждения нанопроводников на подложку из жидкости. Данная операция неразрывно связанна с эффектами коагуляции (спутывания) нанопроводников, с соответствующим нарушением однородности формируемой сетки. С этим же обстоятельством связана сложность регулирования средней величины зазоров (окон) в сетке;- the need for the operation of deposition of nanoconductors on a substrate from a liquid. This operation is inextricably linked with the effects of coagulation (entanglement) of nanowires, with a corresponding violation of the uniformity of the formed mesh. Related to this circumstance is the difficulty of regulating the average size of gaps (windows) in the grid;
- сетка формируется из отдельных нанопроводников, в силу чего снижается ее общая электрическая проводимость, поскольку в цепь дополнительно включаются контактные сопротивления, образующиеся в местах контакта отдельных нанопроводников друг с другом. По аналогичной причине снижается механическая прочность сетки, что может иметь значение для некоторых приложений (например, в случае использования сетки в качестве несущего или селективного слоя мембраны);- the network is formed from individual nanoconductors, due to which its overall electrical conductivity is reduced, since the contact resistances formed at the points of contact of the individual nanoconductors with each other are additionally included in the circuit. For a similar reason, the mechanical strength of the mesh is reduced, which may be important for some applications (for example, in the case of using the mesh as a carrier or selective membrane layer);
- осаждение из жидкой фазы, как правило, требует применения дополнительных компонент в коллоидном растворе (с целью увеличения его стабильности), которые после осаждения на подложку выступают в качестве посторонних веществ, снижающих проводимость формируемой сетки (по механизму роста величины контактных сопротивлений), и другие ее эксплуатационные параметры.- deposition from the liquid phase, as a rule, requires the use of additional components in a colloidal solution (in order to increase its stability), which, after deposition on the substrate, act as foreign substances that reduce the conductivity of the formed network (by the growth mechanism of the contact resistance value), and others its operational parameters.
Задачей, решаемой предложенной группой изобретений, является устранение вышеотмеченных недостатков известных технических решений.The problem solved by the proposed group of inventions is to eliminate the above-mentioned disadvantages of the known technical solutions.
Технический результат, достигаемый заявленной группой изобретений, заключается в создании нового способа формирования микро- и наноструктурированных покрытий, а также в создании новой микро- и наноструктуры, обеспечивающих повышение механической надежности структуры, повышение электрической проводимости (в частном случае реализации изобретения), повышение контролируемости геометрических параметров структуры, повышение технологичности ее производства при одновременном расширении области применения как новой структуры, так и способа ее получения.The technical result achieved by the claimed group of inventions is to create a new method for the formation of micro- and nanostructured coatings, as well as to create a new micro- and nanostructure, which increase the mechanical reliability of the structure, increase the electrical conductivity (in the particular case of the invention), increase the controllability of geometric structure parameters, increasing the manufacturability of its production while expanding the scope of both the new structure and the method ba receiving it.
Указанный технический результат достигается в способе получения сетчатой микро- и наноструктуры, в процессе осуществления которого на подложке формируют слой из вещества, которое в процессе химической и/или физической реакции способно образовывать трещины; осуществляют операцию образования трещин в указанном слое при помощи химической и/или физической реакции; осуществляют операции по использованию полученного слоя, содержащего трещины, в качестве шаблона для задания геометрии микро- и наноструктуры.The indicated technical result is achieved in a method for producing a cross-linked micro- and nanostructure, during the implementation of which a layer of a substance is formed on the substrate, which is capable of forming cracks during the chemical and / or physical reaction; carry out the operation of cracking in the specified layer using a chemical and / or physical reaction; carry out operations on the use of the obtained layer containing cracks as a template for specifying the geometry of the micro- and nanostructures.
Посредством операций по использованию полученного слоя, содержащего трещины, в качестве шаблона могут задавать геометрию микро- и наноструктуры на указанной подложке или на второй подложке или таким образом, чтобы указанная микро- и наноструктура была частично или полностью механически свободна от какой-либо подложки.Through operations to use the obtained crack-containing layer, the geometry of the micro- and nanostructures on the specified substrate or on the second substrate can be specified as a template, or so that the specified micro- and nanostructure is partially or completely mechanically free from any substrate.
Операции использования полученного слоя, содержащего трещины, в качестве шаблона для задания геометрии микро- и наноструктуры могут включать операцию формирования проводящего или диэлектрического слоя поверх слоя, содержащего трещины, и последующую операцию полного или частичного удаления слоя, содержащего трещины.The operation of using the obtained layer containing cracks as a template for specifying the geometry of the micro- and nanostructures may include the operation of forming a conductive or dielectric layer on top of the layer containing cracks, and the subsequent operation of the complete or partial removal of the layer containing cracks.
Операцию нанесения проводящего или диэлектрического слоя могут осуществлять посредством вакуумного напыления или осаждения из расплава или из жидкой или газовой фазы, а операцию полного или частичного удаления слоя, содержащего трещины, могут осуществлять посредством травления или посредством термического или механического воздействия.The operation of applying a conductive or dielectric layer can be carried out by vacuum deposition or deposition from the melt or from the liquid or gas phase, and the operation of the complete or partial removal of the layer containing cracks can be carried out by etching or by thermal or mechanical action.
Операции использования полученного слоя, содержащего трещины, в качестве шаблона для задания геометрии микро- и наноструктуры могут включать операцию формирования слоя жидкого прекурсора или расплава поверх слоя, содержащего трещины, операцию введения слоя, содержащего трещины, в контакт со второй подложкой, с вытеснением излишков жидкого прекурсора или расплава, операцию преобразования жидкого прекурсора в целевой материал или операцию затвердевания расплава.The operation of using the obtained layer containing cracks as a template for specifying the geometry of the micro- and nanostructures may include the operation of forming a layer of liquid precursor or melt over the layer containing cracks, the operation of introducing a layer containing cracks into contact with the second substrate, with the surplus liquid precursor or melt, the operation of converting a liquid precursor into the target material or the operation of solidification of the melt.
В качестве подложки, на которой формируют слой вещества, содержащий трещины, могут использовать пористую подложку, способную вместить в себя часть указанного прекурсора или расплава.As a substrate on which a layer of a substance containing cracks is formed, a porous substrate capable of accommodating a portion of said precursor or melt can be used.
В качестве указанного жидкого прекурсора может быть использован раствор солей серебра или коллоид наночастиц серебра.As the specified liquid precursor, a solution of silver salts or a colloid of silver nanoparticles can be used.
Слой вещества, которое в процессе химической и/или физической реакции способно образовывать трещины, может содержать в своем составе дополнительные слои или компоненты, которые влияют на процесс осаждения проводящего или диэлектрического слоя посредством вакуумного напыления или на процесс осаждения из расплава или из жидкой или газовой фазы, блокируя или замедляя указанный процесс осаждения относительно осаждения на материал подложки, на которой сформирован слой, содержащий трещины.A layer of a substance that is capable of cracking during a chemical and / or physical reaction may contain additional layers or components that affect the deposition of a conductive or dielectric layer by vacuum deposition or the deposition process from a melt or from a liquid or gas phase by blocking or slowing down the deposition process relative to deposition on the substrate material on which a layer containing cracks is formed.
Операции использования полученного слоя, содержащего трещины, в качестве шаблона для задания геометрии сетчатой микро- и наноструктуры структуры могут включать операцию гальванического осаждения проводящего вещества в зазоры, сформированные трещинами.The operation of using the obtained layer containing cracks as a template for specifying the geometry of the network micro- and nanostructures of the structure may include the operation of galvanic deposition of a conductive substance in the gaps formed by cracks.
Операции использования полученного слоя, содержащего трещины, в качестве шаблона для задания геометрии сетчатой микро- и наноструктуры структуры могут включать операцию механического контакта указанной подложки со второй подложкой, с целью переноса шаблона и/или микро- и наноструктуры на указанную вторую подложку.The operation of using the obtained layer containing cracks as a template for specifying the geometry of the network micro- and nanostructures of the structure may include the operation of mechanical contact of the specified substrate with the second substrate, in order to transfer the template and / or micro- and nanostructures to the specified second substrate.
Операции использования полученного слоя, содержащего трещины, в качестве шаблона для задания геометрии сетчатой микро- и наноструктуры структуры могут включать операции нанесения дополнительных слоев, с последующим формированием слоя материала сетчатой микро- и наноструктуры структуры поверх или между указанных дополнительных слоев.The operations of using the obtained layer containing cracks as a template for specifying the geometry of the mesh micro- and nanostructures of the structure may include the operations of applying additional layers, followed by the formation of a layer of material of the mesh micro- and nanostructures of the structure on top or between these additional layers.
Указанный технический результат, кроме того, достигается при создании сетчатой микро- и наноструктуры, полученной вышеуказанным способом и содержащей проводящий или диэлектрический слой, выполненный в виде единой ажурной структуры, причем указанная ажурная структура соответствуют геометрии трещин, образованных в слое вещества, использованного в качестве шаблона при формировании указанной сетчатой микро- и наноструктуры.The specified technical result, in addition, is achieved by creating a mesh micro- and nanostructures obtained by the above method and containing a conductive or dielectric layer made in the form of a single openwork structure, and the specified openwork structure corresponds to the geometry of cracks formed in the layer of the substance used as a template in the formation of the specified mesh micro- and nanostructures.
В качестве материала указанной ажурной структуры может быть использован металл или проводящий оксид металла, осажденный из расплава, жидкой или газовой фазы или осажденный вакуумным методом.As the material of said openwork structure, a metal or a conductive metal oxide deposited from a melt, a liquid or gas phase, or deposited by a vacuum method can be used.
В качестве материала указанной ажурной структуры может быть использован композитный материал, включающий проводящие наночастицы, или углеродные нанотрубки, или проводящие наностержни, распределенные в матрице, в частности в матрице, выполненной из проводящего полимера.As the material of this openwork structure, a composite material may be used, including conductive nanoparticles, or carbon nanotubes, or conductive nanorods distributed in a matrix, in particular in a matrix made of a conductive polymer.
Указанная ажурная структура может быть закреплена на подложке, в том числе пористой или оптически прозрачной подложке.The specified openwork structure can be fixed on a substrate, including a porous or optically transparent substrate.
Указанная ажурная структура может быть частично или полностью механически свободна от какой-либо подложки.The specified openwork structure may be partially or completely mechanically free from any substrate.
Сущность предложенной группы изобретений поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано схематическое изображение структуры (вид сбоку и вид сверху) на различных этапах ее формирования согласно одному из примеров реализации изобретения. На фиг. 2 - схематическое изображение структуры (вид сбоку) на различных этапах ее формирования согласно второму примеру реализации изобретения.The essence of the proposed group of inventions is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a schematic representation of a structure (side view and top view) at various stages of its formation according to one embodiment of the invention. In FIG. 2 is a schematic illustration of a structure (side view) at various stages of its formation according to a second embodiment of the invention.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается благодаря использованию в технических решениях следующих признаков.The problem is solved, and the technical result is achieved through the use of the following features in technical solutions.
- Признак «указанная ажурная структура соответствуют геометрии трещин, образованных в слое вещества, использованного в качестве шаблона» обеспечивает то обстоятельство, что слой пронизан сквозными окнами, причем размер указанных окон имеет тяготение к некому среднему размеру, поскольку способ получения шаблона посредством описанного механизма самоорганизации для однородного по толщине слоя означает приблизительно одинаковый размер окон, при этом, что важно, окна по форме и размеру имеют все же определенный разброс. Следует отметить, что, например, для такого приложения, как оптическое покрытие (в частности, оптически прозрачное покрытие), наличие определенного разброса в форме и размерах элементов покрытия может являться желательным результатом, так как исключает эффект интерференции на определенных длинах волн. Указанный характер геометрии ажурной структуры, обеспечиваемый указанным признаком, имеет значение и для случая выполнения ажурного слоя из диэлектрического материала, например для приложения данного слоя в качестве несущего или селективного слоя мембраны или в качестве биомиметического слоя (слоя, имитирующего биологическую ткань). В последнем случае указанный признак особенно актуален, поскольку именно в результате лежащего в основе изобретения процесса самоорганизации, приводящего к разбиению единого слоя на кластеры посредством трещин, геометрия множества кластеров в некоторой степени повторяет геометрию множества живых клеток (Т.А. Яхно, В.Г. Яхно. Журнал технической физики, 2009, том 79, вып. 8. С. 133-141). Также указанный признак означает, что размер элементов ажурной структуры может лежать в диапазоне от менее 100 нм до более 100 мкм, поскольку, как показано заявителем, указанный метод самоорганизации обеспечивает столь широкие диапазоны структурирования. В прототипе указано, что структура состоит из нанопроводников (объекты, один из размеров которых составляет менее 100 нм), в то же время расширение диапазона допустимых геометрических размеров элементов структуры может иметь значение для отдельных практических приложений структуры (например, для случая несущего или селективного слоя мембраны, биомиметического и сверхгидрофобного покрытий и др.).- The sign "the specified openwork structure corresponds to the geometry of cracks formed in the layer of the substance used as a template" ensures that the layer is penetrated by through windows, and the size of these windows is gravitating to a certain average size, since the way to obtain a template through the described self-organization mechanism for a uniform layer in thickness means approximately the same size of the windows, and, importantly, the windows have a certain spread in shape and size. It should be noted that, for example, for such an application as an optical coating (in particular, an optically transparent coating), the presence of a certain spread in the shape and size of the coating elements may be a desirable result, since it eliminates the effect of interference at certain wavelengths. The indicated nature of the geometry of the openwork structure provided by the indicated feature is also relevant for the case of the openwork layer of a dielectric material, for example, for applying this layer as a carrier or selective membrane layer or as a biomimetic layer (a layer imitating biological tissue). In the latter case, this feature is especially relevant, since it is as a result of the self-organization process underlying the invention that leads to the breaking of a single layer into clusters by means of cracks, the geometry of many clusters repeats to some extent the geometry of many living cells (T.A. Yakhno, V.G. Yakhno. Journal of Technical Physics, 2009, Volume 79, Issue 8. P. 133-141). Also, this feature means that the size of the elements of the openwork structure can lie in the range from less than 100 nm to more than 100 μm, because, as shown by the applicant, this method of self-organization provides such wide ranges of structuring. The prototype indicates that the structure consists of nanoconductors (objects, one of whose dimensions is less than 100 nm), while expanding the range of allowable geometric sizes of structural elements may be important for individual practical applications of the structure (for example, for the case of a carrier or selective layer membranes, biomimetic and superhydrophobic coatings, etc.).
- Признак «содержащая проводящий или диэлектрический слой» обеспечивает возможность выполнения структуры из более широкого, чем в случае прототипа, спектра материалов, в частности из диэлектрических материалов, таких как полимеры, что расширяет спектр практического применения структуры.- The sign "containing a conductive or dielectric layer" provides the ability to perform the structure from a wider than in the case of the prototype spectrum of materials, in particular from dielectric materials such as polymers, which expands the range of practical applications of the structure.
- Признак «выполненный в виде единой ажурной структуры» обеспечивает то обстоятельство, что исключается, в частности, проблема контактных электрических сопротивлений, которая всегда существует для варианта организации структуры из «множества проводников». Это позволяет повысить достигаемую проводимость структуры. Кроме того, для множества проводников (или диэлектрических объектов) актуальна проблема прочности их механического контакта друг с другом, что может иметь значение для ряда приложений, например для случая выполнения указанным слоем функции несущего или селективного слоя мембраны. Указанные признак обеспечивает повышение механической прочности структуры (пятно контакта двух объектов, выполненных из материала одного типа, является механически менее прочным, чем непрерывный переход той же геометрии между указанными объектами).- The sign “made in the form of a single openwork structure” provides the circumstance that, in particular, the problem of contact electrical resistances, which always exists for the option of organizing a structure from “many conductors,” is excluded. This allows to increase the achieved conductivity of the structure. In addition, for many conductors (or dielectric objects), the problem of the strength of their mechanical contact with each other is relevant, which may be important for a number of applications, for example, for the case when the specified layer functions as a carrier or selective membrane layer. The indicated feature provides an increase in the mechanical strength of the structure (the contact patch of two objects made of the same type of material is mechanically less durable than a continuous transition of the same geometry between these objects).
- Предложенный способ в общем случае позволяет формировать единую ажурную структуру, благодаря чему исключается проблема контактных электрических сопротивлений, которая всегда существует для варианта организации структуры из «наночастиц» или «множества нанопроводников». Это позволяет повысить достижимую проводимость структуры. Кроме того, для множества проводников или наночастиц актуальна проблема прочности их механического контакта друг с другом, что может иметь значение для ряда приложений.- The proposed method in the General case allows you to form a single openwork structure, which eliminates the problem of contact electrical resistances, which always exists for the option of organizing the structure of "nanoparticles" or "many nanoconductors." This improves the achievable conductivity of the structure. In addition, for many conductors or nanoparticles, the problem of the strength of their mechanical contact with each other is relevant, which may be important for a number of applications.
- Способ кардинально расширяет спектр допустимых материалов, из которых формируется итоговая ажурная структура. С использованием формируемого в рамках способа шаблона (слоя, содержащего трещины) можно сформировать итоговую ажурную структуру практически из любого материала с применением любого из существующих методов осаждения: вакуумное напыление, осаждение из жидкой или газовой фазы, осаждение из расплава и др.- The method dramatically expands the range of acceptable materials from which the resulting openwork structure is formed. Using the template formed within the method (a layer containing cracks), it is possible to form the final openwork structure from almost any material using any of the existing deposition methods: vacuum deposition, deposition from a liquid or gas phase, deposition from a melt, etc.
- Способ кардинально расширяет допустимое соотношение ширины и толщины дорожек единой ажурной структуры. Возникает дополнительная степень свободы по независимому варьированию величины указанных параметров, поскольку этап формирования шаблона, при котором задается ширина трещин (определяет ширину дорожек ажурной структуры), не связан с этапом формирования дорожек одним из способов осаждения, в рамках которого можно независимо задавать толщину дорожки от единиц нанометров до величины, не превышающей толщину слоя, содержащего трещины (может достигать десятков и сотен микрометров).- The method dramatically expands the allowable ratio of the width and thickness of the tracks of a single openwork structure. There is an additional degree of freedom in the independent variation of the magnitude of the indicated parameters, since the stage of forming the template at which the width of the cracks is set (determines the width of the tracks of the openwork structure) is not associated with the stage of forming the tracks by one of the deposition methods, within which it is possible to independently set the track thickness from units nanometers to a value not exceeding the thickness of the layer containing cracks (can reach tens and hundreds of micrometers).
- Способ кардинально расширяет допустимое соотношение размера ячеек (кластеров) и ширины дорожек между ними. При образовании трещин в слое, подвергаемом операции высыхания или химической или физической реакции, в качестве механизма самоорганизации выступает конкуренция сил адгезии слоя к подложке и сил механического сокращения слоя. В силу данной конкуренции в определенный момент становится энергетически выгодным разбиение слоя на систему отдельных кластеров, разделенных трещинами. Указанный процесс самоорганизации позволяет регулировать в широких пределах связь ширины трещин с размером кластеров посредством регулирования концентрации испаряемого или химического агента в слое, толщины слоя, влажности или состава среды, в которой происходит растрескивание, и другими параметрами. Следует отдельно отметить, что после первичного растрескивания, в силу специально заданных влажности или химического состава среды, кластеры могут начать опять увеличивать свои размеры (в частном случае - набухать) и образованные трещины могут контролируемо суживаться до единиц нанометров и вплоть до полного смыкания кластеров. Поэтому размеры кластеров и ширина трещин могут в общем случае варьироваться независимо друг от друга в широких пределах, что не достигается в указанных аналогах, использующих капиллярный механизм самоорганизации, и в прототипе, использующем осаждение готовых нанопроводников (например, достижимы трещины менее 100 нм шириной при протяженности кластеров более 100 мкм).- The method dramatically expands the allowable ratio of the size of cells (clusters) and the width of the tracks between them. In the formation of cracks in a layer subjected to a drying operation or a chemical or physical reaction, the competition between the adhesion forces of the layer to the substrate and the forces of mechanical contraction of the layer acts as a self-organization mechanism. Due to this competition, at a certain moment, it becomes energetically favorable to divide the layer into a system of individual clusters separated by cracks. The specified process of self-organization allows you to widely control the relationship between the width of the cracks and the cluster size by controlling the concentration of the vaporized or chemical agent in the layer, the thickness of the layer, humidity or composition of the medium in which the cracking occurs, and other parameters. It should be separately noted that after initial cracking, due to specially specified humidity or chemical composition of the medium, the clusters can begin to increase again (in particular, swell) and the formed cracks can narrow in a controlled way to a few nanometers and even until the clusters completely close. Therefore, cluster sizes and crack widths can generally vary widely independently independently of each other, which is not achieved in these analogues using a capillary self-organization mechanism and in a prototype using the deposition of finished nanowires (for example, cracks less than 100 nm wide with a length of reach clusters over 100 microns).
Подробное описаниеDetailed description
В настоящей группе изобретений предлагается структура сетчатой геометрии и способ ее получения, которые обеспечивают дальнейшее расширение сферы применения самоорганизованных структур. В основе способа получения структуры лежит процесс самоорганизации, при котором при росте механических напряжений в слое вещества, данный, изначально сплошной слой на определенном этапе разбивается на отдельные кластеры, отделенные друг от друга зазорами (трещинами). Рост напряжений в указанном слое вещества может иметь в качестве причины физическую или химическую реакцию или их комбинацию. В качестве примера физической реакции можно указать процесс высыхания, то есть удаления из системы жидкой фазы (в частном случае - удаление воды или другого жидкого растворителя), или процесс набухания одной из компонент указанного слоя вещества за счет впитывания ею другой, жидкой компоненты, или процесс сокращения или расширения указанного слоя, где указанные сокращение или расширение не совпадают по величине с сокращением или расширением подложки (например, вследствие несовпадения ТКР, эластичности, модуля упругости или других физических параметров слоя и подложки). В качестве примера химической реакции можно привести реакции полимеризации, разложения и др. В комбинированном варианте имеют место одновременно химическая и физическая реакции (например, реакция полимеризации с испарением одной из компонент продуктов реакции). В рамках существующего уровня науки и техники, указанный процесс трещинообразования в слое вещества получил определенное изучение и использование, однако он рассматривался в основном либо с позиции паразитного эффекта, либо с позиции средства индикации параметров качества физиологических или промышленных жидкостей (Т.А. Яхно, В.Г. Яхно. Журнал технической физики, 2009, том 79, вып. 8. С. 133-141).This group of inventions proposes a structure of mesh geometry and a method for its preparation, which provide a further expansion of the scope of application of self-organized structures. The method of obtaining the structure is based on the process of self-organization, in which, with the growth of mechanical stresses in the layer of matter, this initially continuous layer breaks up at a certain stage into separate clusters separated from each other by gaps (cracks). The growth of stresses in the specified layer of the substance may have as the cause a physical or chemical reaction or a combination thereof. As an example of a physical reaction, you can specify the drying process, that is, the removal of the liquid phase from the system (in the particular case, the removal of water or another liquid solvent), or the process of swelling of one of the components of the specified layer of the substance by absorbing another liquid component, or the process reduction or expansion of the specified layer, where the specified reduction or expansion does not coincide in size with the reduction or expansion of the substrate (for example, due to mismatch of TCR, elasticity, modulus of elasticity or other physical layer and substrate parameters). As an example of a chemical reaction, polymerization, decomposition, etc. reactions can be cited. In a combined embodiment, both chemical and physical reactions take place (for example, a polymerization reaction with the evaporation of one of the components of the reaction products). Within the framework of the existing level of science and technology, this process of cracking in a layer of a substance has received a certain study and use, however, it was considered mainly from the standpoint of a parasitic effect, or from the standpoint of a means of indicating quality parameters of physiological or industrial fluids (T.A. Yakhno, V. . G. Yakhno. Journal of Technical Physics, 2009, Volume 79, Issue 8. P. 133-141).
В настоящей группе изобретений указанный процесс самоорганизации положен в основу низкозатратного способа формирования шаблона, используемого для получения итоговой сетчатой микро- и наноструктуры, имеющей в частном случае электропроводящие функции. Авторами изобретения выявлено, что, регулируя такие параметры, как химический и физический состав слоя, его толщину, вязкость и адгезию к подложке, концентрацию вступающей в физическую или химическую реакцию компоненты, скорость указанных физической или химической реакции, температуру и давление в системе, а также регулируя условия последующей обработки треснувшего слоя, можно регулировать в широких пределах такие параметры, как средний размер и форму итоговых кластеров, ширину и форму отделяющих кластеры трещин. При этом ширина трещин может варьироваться от величин менее 100 нм до величин более 100 мкм. Ширина дорожек получаемой итоговой сетчатой структуры может варьироваться в еще более широких пределах, чем ширина первичных трещин. Для этого могут быть применены операции дальнейшей обработки треснувшего слоя. Такие, например, как экспонирование треснувшего слоя соответствующей жидкой или газовой фазой, с результирующим разбуханием (в силу физических или химических механизмов) вещества треснувшего слоя и дальнейшим суживанием трещин, вплоть до полного их исчезновения. Или, например, посредством нанесения дополнительных слоев, которые после нанесения целевого слоя, образующего итоговые дорожки, удаляются тем или иным методом травления (так называемые жертвенные слои) или вступают в химическую или физическую реакцию с нанесенным целевым слоем.In this group of inventions, this self-organization process is the basis of the low-cost method of forming a template used to obtain the final mesh micro- and nanostructures, which in a particular case have electrically conductive functions. The inventors have found that, by adjusting parameters such as the chemical and physical composition of the layer, its thickness, viscosity and adhesion to the substrate, the concentration of the components entering into the physical or chemical reaction, the rate of the indicated physical or chemical reaction, temperature and pressure in the system, and By adjusting the conditions for the subsequent processing of the cracked layer, it is possible to adjust, over a wide range, such parameters as the average size and shape of the resulting clusters, the width and shape of the cracks separating the clusters. Moreover, the width of the cracks can vary from values less than 100 nm to values more than 100 microns. The width of the tracks of the resulting net structure may vary even wider than the width of the primary cracks. For this, the operations of further processing the cracked layer can be applied. Such, for example, as exposure of the cracked layer with the corresponding liquid or gas phase, with the resulting swelling (due to physical or chemical mechanisms) of the substance of the cracked layer and further narrowing of the cracks, up to their complete disappearance. Or, for example, by applying additional layers, which, after applying the target layer forming the final paths, are removed by one or another etching method (the so-called sacrificial layers) or enter into a chemical or physical reaction with the applied target layer.
В целом количество способов использования сформированного указанным методом шаблона для формирования конечной сетчатой структуры может быть практически неограниченными. Они широко разработаны в технологии микроэлектроники и смежных областях. Частным случаем выступает нанесение тем или иным методом целевого слоя на подложку, содержащую описанный шаблон, с последующим удалением кластеров шаблона, благодаря чему целевой слой сохраняется только в области трещин, повторяя их геометрию. Возможен вариант осаждения вещества избирательно в область трещин. Для этого может использоваться, например, метод гальванического осаждения или осаждение методом электрофореза на проводящую подложку, закрытую диэлектрическими кластерами, разделенными трещинами. Или, например, предварительная функционализация поверхности способного образовывать трещины слоя, которая бы после образования трещин различалась для поверхности трещин и поверхности кластеров, с последующим проведением реакции осаждения, чувствительной к функционализации (например, чувствительной к РН-фактору поверхности или наличию на поверхности определенных молекул). Или, например, осаждение и модификация дополнительных (в частности, жертвенных) слоев, для изменения ширины и геометрии трещин или создания подвешенных слоев в итоговой структуре (подвешенные слои могут быть сформированы удалением жертвенного слоя). Или, например, формирование слоя жидкого прекурсора или расплава поверх сформированного указным методом шаблона (т.е. поверх слоя, содержащего трещины), с последующим введением подложки с шаблоном в механический контакт со второй подложкой таким образом, чтобы излишки жидкого прекурсора или расплава были вытеснены и прекурсор или расплав остались в основном в области трещин. Далее осуществление операции преобразования указанного жидкого прекурсора в целевой материал (например, осаждение целевого вещества из указанного жидкого прекурсора при нагреве последнего) или операции получения целевого материала посредством затвердевания указанного расплава. При этом целевой материал формирует дорожки как на первой, так и на второй подложках. В зависимости от соотношения сил адгезии целевого материала к подложкам, при выведении второй подложки из механического контакта с первой подложкой, дорожки из целевого материала могут остаться как на первой, так и на второй подложке либо на обеих подложках. Вторая подложка в этом случае также может быть использована как готовое изделие, с тем преимуществом, что для нее в частном случае отсутствует необходимость в операции удаления шаблона, поскольку при выведении второй подложки из механического контакта с первой подложкой шаблон в указанном частном случае остается на первой подложке. В общем случае, в зависимости от соотношения сил адгезии шаблона к указанным подложкам, при выведении второй подложки из механического контакта с первой подложкой, шаблон также может остаться как на первой, так и на второй подложке либо на обеих подложках. Следует отметить, что на этом принципе основан один из способов механического удаления шаблона, в рамках которого кластеры шаблона захватываются одной из находившихся в механическом контакте подложек, тогда как другая подложка сохраняет/получает только дорожки итоговой ажурной структуры. К механическому способу удаления шаблона можно отнести также любой способ, обеспечивающий возникновение механических напряжений, направленных на отсоединение кластеров шаблона от подложки. Одним из примеров может выступать нагрев системы, при котором кластеры шаблона будут стремиться отсоединиться от подложки в силу различия ТКР вещества подложки и вещества шаблона. Альтернативой механическому удалению шаблона является его травление тем или иным способом, а также растворение, отмывка или другие операции. В общем случае шаблон может не удаляться и использоваться в составе конечного изделия, наряду с дорожками ажурной структуры. Например, если шаблон выполнен из прозрачного вещества, то для получения прозрачной проводящей структуры удаление шаблона может не требоваться. С той оговоркой, что в этом случае может потребоваться введение в систему дополнительного слоя, имеющего коэффициент преломления, соответствующий коэффициенту преломления вещества шаблона (так называемый иммерсионный слой), с целью исключения эффектов интерференции на кластерах шаблона. Указанная первая подложка может выполняться из пористого материала, способного вместить в себя часть прекурсора или расплава. Напитанная прекурсором или расплавом пористая подложка, с нанесенным на нее шаблоном рассматриваемого типа, может выступать аналогом распределенной головки струйного принтера, сопла которой образованы трещинами между кластерами шаблона, закрывающего пористую поверхность. Техпроцесс формирования микро- и наноструктурированного покрытия в этом случае может сводиться к приложению указанной пористой структуры с шаблоном к обрабатываемой поверхности с последующим выдавливанием части прекурсора или расплава через шаблон. В этом варианте реализации изобретения имеется аналогия с методом импринт-литографии, с той особенностью, что используется самоорганизованнный шаблон. Под прекурсором здесь понимается вещество, участвующее в реакции, приводящей к образованию целевого материала. Примером прекурсора может выступать раствор солей серебра или коллоид наночастиц серебра. Под расплавом понимается жидкофазное состояние целевого материала, связанное с его нагревом выше температуры плавления. При достаточной механической прочности получаемой ажурной структуры, она может быть полностью или частично механически отсоединена от указанных первой или второй подложек. Заявителем показана возможность такого отсоединения посредством, например, механического захвата одного края ажурной структуры с последующим механическим отрывом остальной части структуры от подложки. Полученная таким образом свободная сетчатая структура может использоваться в качестве мембраны, сетчатого электрода, каталитической структуры или др.In general, the number of methods for using the template formed by the indicated method to form the final mesh structure can be practically unlimited. They are widely developed in microelectronics technology and related fields. A particular case is the application by one method or another of the target layer on a substrate containing the described template, followed by removal of the cluster of the template, so that the target layer is saved only in the crack region, repeating their geometry. A variant of the deposition of the substance selectively in the region of cracks. For this purpose, for example, the method of galvanic deposition or deposition by electrophoresis on a conductive substrate covered by dielectric clusters separated by cracks can be used. Or, for example, the preliminary functionalization of the surface of a layer capable of cracking, which would, after cracking, be different for the surface of cracks and the surface of clusters, followed by the deposition reaction sensitive to functionalization (for example, a surface sensitive to the pH factor or the presence of certain molecules on the surface) . Or, for example, the deposition and modification of additional (in particular, sacrificial) layers, to change the width and geometry of cracks or create suspended layers in the final structure (suspended layers can be formed by removing the sacrificial layer). Or, for example, the formation of a layer of a liquid precursor or melt on top of a template formed by the indicated method (i.e., on top of a layer containing cracks), followed by the introduction of the substrate with the template into mechanical contact with the second substrate so that excess liquid precursor or melt is displaced and the precursor or melt remained mainly in the region of cracks. Next, the implementation of the operation of converting the specified liquid precursor into the target material (for example, the deposition of the target substance from the specified liquid precursor by heating the latter) or the operation of obtaining the target material by solidification of the specified melt. In this case, the target material forms tracks on both the first and second substrates. Depending on the ratio of the adhesion forces of the target material to the substrates, when the second substrate is removed from mechanical contact with the first substrate, tracks from the target material can remain on both the first and second substrates or on both substrates. The second substrate in this case can also be used as a finished product, with the advantage that for it in the particular case there is no need for the template removal operation, since when the second substrate is removed from mechanical contact with the first substrate, the template in the specified particular case remains on the first substrate . In the general case, depending on the ratio of the adhesion forces of the template to the indicated substrates, when the second substrate is removed from mechanical contact with the first substrate, the template can also remain on both the first and second substrates or on both substrates. It should be noted that one of the methods for mechanical removal of the template is based on this principle, in which the cluster of the template is captured by one of the substrates in the mechanical contact, while the other substrate stores / receives only the tracks of the final openwork structure. The mechanical method for removing the template can also include any method that provides the occurrence of mechanical stresses aimed at disconnecting the cluster of the template from the substrate. One example is the heating of a system in which the template clusters will tend to disconnect from the substrate due to the difference in the TCR of the substrate material and the template substance. An alternative to mechanical removal of the template is its etching in one way or another, as well as dissolution, washing or other operations. In general, the template may not be removed and used as part of the final product, along with the tracks of the openwork structure. For example, if the template is made of a transparent substance, then removal of the template may not be required to obtain a transparent conductive structure. With the caveat that in this case, it may be necessary to introduce an additional layer into the system having a refractive index corresponding to the refractive index of the template substance (the so-called immersion layer) in order to eliminate interference effects on the template clusters. Said first substrate may be made of a porous material capable of containing part of a precursor or melt. A porous substrate saturated with a precursor or a melt, with a template of the type under consideration applied to it, can act as an analog of the distributed head of an inkjet printer, the nozzles of which are formed by cracks between the clusters of the template covering the porous surface. The process of forming a micro- and nanostructured coating in this case can be reduced to applying the specified porous structure with a template to the surface to be treated, followed by extruding part of the precursor or melt through the template. In this embodiment, there is an analogy with the imprint lithography method, with the peculiarity that a self-organized template is used. By precursor is meant a substance involved in the reaction leading to the formation of the target material. An example of a precursor may be a solution of silver salts or a colloid of silver nanoparticles. Under the melt is understood the liquid-phase state of the target material associated with its heating above the melting temperature. With sufficient mechanical strength of the resulting openwork structure, it can be completely or partially mechanically disconnected from the first or second substrates. The applicant has shown the possibility of such detachment by, for example, mechanical locking of one edge of the openwork structure, followed by mechanical separation of the rest of the structure from the substrate. Thus obtained free mesh structure can be used as a membrane, mesh electrode, catalytic structure, etc.
Общим для всех методов формирования итоговой ажурной структуры на основе описанного шаблона является соответствие формы получаемых дорожек и пространства между ними исходной форме трещин и кластеров шаблона. Сами геометрические размеры элементов итоговой структуры и исходного шаблона могут при этом не совпадать (однако период расположения элементов структуры и шаблона всегда совпадает).Common to all methods of forming the final openwork structure based on the described template is the correspondence of the shape of the resulting tracks and the space between them to the original shape of cracks and clusters of the template. The geometric dimensions of the elements of the final structure and the original template may not coincide (however, the period of arrangement of the elements of the structure and the template always coincides).
В общем случае на целевой материал, из которого при помощи описанного шаблона формируется итоговая ажурная структура, никаких ограничений не накладывается. Это может быть одно- или многокомпонентное (в частности, композитное) проводящее или не проводящее вещество. В частном случае может быть использован композитный материал, включающий проводящие наночастицы, или углеродные нанотрубки, или проводящие наностержни (нанопроволоки), распределенные в матрице, в частности в матрице, выполненной из проводящего полимера.In the general case, no restrictions are imposed on the target material, from which the resulting openwork structure is formed using the described template. It can be a single or multicomponent (in particular, composite) conductive or non-conductive substance. In the particular case, a composite material may be used, including conductive nanoparticles, or carbon nanotubes, or conductive nanorods (nanowires) distributed in a matrix, in particular in a matrix made of a conductive polymer.
Возможность реализации предложенной группы изобретений демонстрируется следующими примерами выполнения.The feasibility of the proposed group of inventions is demonstrated by the following examples.
На стеклянную подложку 1 (фиг. 1) наносится слой 2 вещества в виде водной суспензии латекса. При высыхании данный слой образует перколированную систему трещин 3. Далее на подготовленную указанным образом подложку методом вакуумного напыления наносится слой металла 4 (например, меди) или осаждается слой серебра или меди посредством реакции серебряного или медного зеркала или посредством осаждения серебряных или медных наночастиц из раствора. Нанесение указанных слоев 4 меди или серебра осуществляется так, чтобы их толщина составляла, например, 90 нм. Далее осуществляется операция удаления слоя латекса 2, например, посредством обработки подложки ацетоном. При этом на стеклянной подложке остается только та часть металлического покрытия, которая была расположена в трещинах 3. В результате стеклянная подложка становится покрытой единой сеткой металлических дорожек, разделенных окнами. Контактное сопротивление между дорожками отсутствует (дорожки являются частью ажурной структуры, полученной из единого металлического слоя). Удельное поверхностное сопротивление такого покрытия, в зависимости от параметров исходного шаблона (в первую очередь в зависимости от величины кластеров и ширины трещин), может составлять от единиц до десятков Ом/квадрат, при прозрачности от 80% до 95% и более. Полученная структура имеет функциональность оптически прозрачного проводящего покрытия.On the glass substrate 1 (Fig. 1), a
В рамках второго примера реализации изобретения, на пористую подложку 1 (фиг. 2) наносится слой 2 вещества в виде водной суспензии латекса. При высыхании данный слой образует перколированную систему трещин 3. Далее поверх слоя 2 наносится слой 5 жидкого прекурсора в виде раствора солей серебра. К слою 2 прижимается вторая подложка 6 таким образом, чтобы излишки жидкого прекурсора были вытеснены и прекурсор в основном остался в области трещин 3. Далее осуществляется осаждение слоя серебра из прекурсора на вторую подложку 6 посредством нагрева второй подложки 6. Вторая подложка 6 с осажденными на нее серебряными дорожками 7 может рассматриваться как конечное изделие. Пористость первой подложки 1 обеспечивает впитывание части прекурсора, в силу чего первая подложка 1 выполняет функцию дополнительной емкости для прекурсора. Благодаря этому обеспечивается обмен прекурсора, находящегося в области трещин 3, с прекурсором, впитанным в подложку. Это позволяет компенсировать обеднение прекурсора, происходящее при осаждении из него целевого материала (в данном случае - серебра), что в свою очередь позволяет осаждать более толстый слой целевого материала (в данном случае - слой серебра).In the framework of the second embodiment of the invention, a
В рамках третьего примера реализации изобретения, на подложку 1 (фиг. 2) наносится слой 2 вещества в виде водной суспензии латекса. При высыхании данный слой образует перколированную систему трещин 3. Далее поверх слоя 2 наносится слой 5 в виде жидкого расплава полимера. К слою 2 прижимается вторая подложка 6 таким образом, чтобы излишки жидкого расплава были вытеснены и расплав в основном остался в области трещин 3. Далее осуществляется затвердевание жидкого расплава, в результате чего формируется полимерная сетка, геометрия дорожек 7 которой соответствуют геометрии трещин исходного шаблона. В зависимости от соотношения между силами адгезии полимера к первой 1 и второй 6 подложке, при выведении указанных подложек из механического контакта друг с другом, полимерная сетка остается либо на первой, либо на второй подложке. Указанная полимерная микро- или наноструктура может использоваться как слой для сверхгидрофобных покрытий (приложение самоочищающихся покрытий), либо, будучи освобожденной от подложек или перенесенной на пористую подложку, как селективный или несущий слой для получаемой таким образом мембраны, либо, будучи выполненной из биосовместимого полимера, обладающего определенным сродством к живым клеткам, как биомиметическое покрытие, либо в других задачах.In the framework of the third example embodiment of the invention, on the substrate 1 (Fig. 2) is applied a
Рассмотренные выше примеры реализации предлагаемого изобретения обеспечивают достижение заявляемого технического результата.The above examples of the implementation of the invention ensure the achievement of the claimed technical result.
Claims (16)
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013141222/05A RU2574249C2 (en) | 2013-09-09 | Network micro- and nanostructure, in particular for optically transparent conductive coatings, and method for obtaining thereof | |
| KR1020167009433A KR20160114036A (en) | 2013-09-09 | 2014-08-29 | Mesh-like micro- and nanostructure and method for producing same |
| PCT/RU2014/000651 WO2015034398A1 (en) | 2013-09-09 | 2014-08-29 | Mesh-like micro- and nanostructure and method for producing same |
| CN201480061317.4A CN106463195A (en) | 2013-09-09 | 2014-08-29 | Mesh-like micro- and nanostructure and method for producing same |
| EP14842959.0A EP3046113A4 (en) | 2013-09-09 | 2014-08-29 | Mesh-like micro- and nanostructure and method for producing same |
| EA201600246A EA201600246A1 (en) | 2013-09-09 | 2014-08-29 | NET MICRO AND NANOSTRUCTURE AND METHOD FOR ITS PREPARATION |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013141222/05A RU2574249C2 (en) | 2013-09-09 | Network micro- and nanostructure, in particular for optically transparent conductive coatings, and method for obtaining thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013141222A RU2013141222A (en) | 2015-05-20 |
| RU2574249C2 true RU2574249C2 (en) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655651C1 (en) * | 2017-07-12 | 2018-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет") | Method of producing nanolithographic drawings with a crystalline structure with a super-developed surface |
| RU2667341C2 (en) * | 2016-11-15 | 2018-09-18 | Евгений Игоревич Мезенин | Method for creation of electric conductive mesh optically transparent and optically non-transparent structures |
| RU194032U1 (en) * | 2018-10-16 | 2019-11-25 | Владимир Алексеевич Некрасов | MATERIAL MODULATOR FOR PROTECTION OF BIOLOGICAL OBJECTS |
| RU2785680C2 (en) * | 2018-08-06 | 2022-12-12 | Иллюмина Кембридж Лимитед | Flow cells |
| US11733147B2 (en) | 2018-08-06 | 2023-08-22 | Illumina Cambridge Limited | Flow cells |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2061278C1 (en) * | 1993-03-15 | 1996-05-27 | Борис Николаевич Самсоненко | Semiconductor device manufacturing process |
| RU2094902C1 (en) * | 1994-02-11 | 1997-10-27 | Институт физики полупроводников СО РАН | Method for producing submicron and nanometer components of solid-state devices |
| RU2339115C2 (en) * | 2003-04-09 | 2008-11-20 | Лам Рисёрч Корпорейшн | Plasma etching method with usage of intermittent modulation of gaseous reagent |
| RU2421848C1 (en) * | 2010-04-06 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ) | Method of making semiconductor device with t-shaped conrol electrode |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2061278C1 (en) * | 1993-03-15 | 1996-05-27 | Борис Николаевич Самсоненко | Semiconductor device manufacturing process |
| RU2094902C1 (en) * | 1994-02-11 | 1997-10-27 | Институт физики полупроводников СО РАН | Method for producing submicron and nanometer components of solid-state devices |
| RU2339115C2 (en) * | 2003-04-09 | 2008-11-20 | Лам Рисёрч Корпорейшн | Plasma etching method with usage of intermittent modulation of gaseous reagent |
| RU2421848C1 (en) * | 2010-04-06 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (МИЭТ) | Method of making semiconductor device with t-shaped conrol electrode |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2667341C2 (en) * | 2016-11-15 | 2018-09-18 | Евгений Игоревич Мезенин | Method for creation of electric conductive mesh optically transparent and optically non-transparent structures |
| RU2655651C1 (en) * | 2017-07-12 | 2018-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет") | Method of producing nanolithographic drawings with a crystalline structure with a super-developed surface |
| RU2785680C2 (en) * | 2018-08-06 | 2022-12-12 | Иллюмина Кембридж Лимитед | Flow cells |
| US11733147B2 (en) | 2018-08-06 | 2023-08-22 | Illumina Cambridge Limited | Flow cells |
| RU194032U1 (en) * | 2018-10-16 | 2019-11-25 | Владимир Алексеевич Некрасов | MATERIAL MODULATOR FOR PROTECTION OF BIOLOGICAL OBJECTS |
| RU2789246C2 (en) * | 2020-12-28 | 2023-01-31 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | Method for production of flexible hybrid piezo-material, using conductive layers of graphene particles and silver nanorods |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20240297133A1 (en) | Integration and bonding of micro-devices into system substrate | |
| Tan et al. | Silver nanowire networks with preparations and applications: a review | |
| Magdassi et al. | Triggering the sintering of silver nanoparticles at room temperature | |
| Hsu et al. | Passivation coating on electrospun copper nanofibers for stable transparent electrodes | |
| DE60036262T2 (en) | Process for the preparation of polymer particles composite | |
| Shim et al. | Nanostructured thin films made by dewetting method of layer-by-layer assembly | |
| EP2253001B1 (en) | Carbon nanotube-transparent conductive inorganic nanoparticles hybrid thin films for transparent conductive applications | |
| US10535792B2 (en) | Transparent conductor and preparation method for same | |
| He et al. | Assembly of ultrathin gold nanowires into honeycomb macroporous pattern films with high transparency and conductivity | |
| WO2012168941A1 (en) | Flexible transparent conductive coatings by direct room temperature evaporative lithography | |
| WO2017176498A1 (en) | Nanowire contact pads with enhanced adhesion to metal interconnects | |
| AU2015276028A1 (en) | Method of forming an electronic device on a flexible substrate | |
| Lee et al. | Controlled nanoparticle assembly by dewetting of charged polymer solutions | |
| Altuntas et al. | Fabrication and characterization of conductive anodic aluminum oxide substrates | |
| Crepelliere et al. | Spray deposition of silver nanowires on large area substrates for transparent electrodes | |
| Kim et al. | Inkjet-printed polyelectrolyte seed layer-based, customizable, transparent, ultrathin gold electrodes and facile implementation of photothermal effect | |
| JP2018012101A (en) | Method for producing a patterned coating | |
| Yoo et al. | Nanoparticle films as a conducting layer for anodic aluminum oxide template-assisted nanorod synthesis | |
| CN107617344A (en) | Load polymer microporous film of nano wire and preparation method thereof | |
| CN107610814A (en) | A kind of transparency electrode based on super thin metal grid and preparation method thereof | |
| RU2574249C2 (en) | Network micro- and nanostructure, in particular for optically transparent conductive coatings, and method for obtaining thereof | |
| Béduer et al. | A simple and versatile micro contact printing method for generating carbon nanotubes patterns on various substrates | |
| US9011706B2 (en) | Method of making foraminous microstructures | |
| WO2015034398A1 (en) | Mesh-like micro- and nanostructure and method for producing same | |
| Chu et al. | Wetting in nanopores of cylindrical anodic aluminum oxide templates: Production of gradient polymer nanorod arrays on large-area curved surfaces |