精确控制液滴聚并制备高精度功能化图案与器件

Fast fabricating large-area high resolution patterns and functional devices has been paid much attention to. Here, by use of the inkjet printing, high precision patterns and functional devices can be prepared quickly based on precisely controlling coalescences of droplets. The effects of the wettability and the fluid properties on droplets’ coalescences are investigated at different surface structures, chemical compositions and the viscous force. Subsequently, the droplets' coalescences are controlled precisely and various high precision patterns could be prepared. Besides, the migration of micro-/nano- particles across the liquid-liquid interface is depressed by adjusting the Marangoni flow and capillary flow as well as the change of Gibbs free energy during droplet coalescing. As a result, micro-/nano- particles assemble at the liquid-liquid interface to form heterojunction structures. Also, combining with the change of the hysteresis contact angles when droplets are drying, the evolution of coalescing droplets’ profile perpendicular to the substrate is controlled by investigating the droplets’ inertia, viscous force and the surface tension, which directs the droplets' coalescence perpendicular to the substrate and the growth of 3-D structures. The synergistic combination of controlling droplets’ coalescence, designing materials and structures directly contribute to achieve high precision patterns and devices with various morphologies, integrated multi-functions and multi-dimensions from dot-line-domain to 3-D structures.

快速、大面积制备高精度图案与功能器件正受到广泛的关注。本研究以喷墨打印技术为依托，通过精确控制液滴聚并快速制备大面积高精度图案与功能器件。我们通过调节基底微观结构、化学组成、液滴粘滞力，研究浸润性与液滴流体特性对液滴聚并的影响，精确控制液滴聚并，制备多样化图案；通过调节Marangoni流和毛细流及吉布斯自由能变化（△G），降低溶剂分子与微/纳米粒子在液-液界面的迁移，精确控制液-液界面微/纳米粒子的组装，制备功能性异质结；通过调节冲击聚并过程中惯性、液滴内粘滞力及表面张力的相对关系与能量转化，结合聚并液滴干燥过程中滞后角变化，控制聚并液滴在垂直基底方向的轮廓变化，精确控制平面外液滴聚并与三维结构的生长。利用液滴聚并，结合材料与结构设计，我们可在形貌上实现图案多样化，在功能上实现多功能集成化，在维度上实现点-线-面向3-D结构扩展的多维化，达到快速、大面积制备高精度图案与多功能器件的目的。

高精度图案与功能器件在高性能微半导体、光/电子器件以及生物功能材料等方面的应用越来越广泛。喷墨打印是将微小墨滴喷射到表面形成图案、文字或功能器件,具有大面积直写、定位精确、环境友好、成本低廉等优势。然而喷墨打印图案的精确度、器件质量与性能仍难以达到传统微加工技术的水平，其原因在于喷墨打印过程中的液滴聚并过程难以精确控制。表面浸润性、液滴的流体特性（如黏度、惯性等）都会对液滴聚并过程中产生影响，从而影响图案的精度与器件性能。.本项目系统研究了基底微观结构、化学组成、液滴流体特性、表面浸润性等对液滴聚并形貌、微/纳米颗粒分布与组装的影响，揭示了液滴聚并过程中形貌控制、微纳米颗粒扩散行为以及自组装行为机制，制备高精度多样化功能图案与器件。.1、基于表面微纳米结构形貌与液滴聚并动力学行为的关系，建立了理论模型，不仅能解释本项目中相关研究内的两种结构(塔状和锥状)对微水滴聚并前后的动力学行为的影响，还能适用于所有具有一级或二级微纳米结构的表面，具有广泛的普适性。.2、基于对表面微纳米结构与液滴聚并形貌的关系的理解，利用可控的液滴聚并过程，制备了超亲水/超疏水功能图案与器件，实现了对纳米颗粒的选择性粘附和对水的快速输运。.3、利用可控的液滴聚并过程，在疏水性软基底表面采用喷墨打印快速制备了具有半封闭结构的可弯曲电路，在可穿戴电子、电子皮肤等方面具有广阔的应用前景。.4、利用超亲水软基底在液滴内部诱导产生的局部非均匀性，抑制了液滴聚并过程中纳米颗粒的跨聚并界面扩散与迁移，同时不影响液滴内部纳米颗粒的自组装，简便、快速地制备了沿基底表面方向的具有双光子禁带的光子晶体异质结。.5、利用相容性液滴的可控聚并，在沿基底表面法线方向成功制备了平面外的光子晶体异质结结构，初步实现了从点-线-面到三维立体结构的扩展与简便制备，为实现快捷制备异质结结构、拓展功能化应用提供了参考。