北京航空航天大学邱璐老师团队提出了一种通过喷墨打印和激光烧结快速制备钨纳米颗粒(W NPs)绝缘膜的新方法。在使用MicroFab Jetlab 4xl喷墨打印系统打印的7μm厚的钨纳米薄膜上，采用能量密度为60J/mm2的激光烧结技术制备了电阻>200 MΩ/cm、粘附力为5B的绝缘膜。
介绍
高温薄膜传感器(HTTS)由于能够在恶劣环境中提供多种物理参数的高精度测量而引起了广泛关注。HTTS通常在高温合金结构上制备。基板和传感器之间需要加工绝缘膜，防止导电基板影响传感器精度。目前，绝缘薄膜材料大多为氧化铝和氧化锆等绝缘陶瓷。然而，陶瓷材料与金属基板之间的热膨胀系数较大，因此必须使用NiCrAlY等缓冲层来确保粘附，从而导致加工复杂性。此外，处理绝缘薄膜的方法仅限于气相沉积，这需要真空工作环境和频繁的原型更改，以适应各种形状和尺寸的衬底。加工复杂，降低了加工效率和经济性。此外，由于其脆性和有限的光学吸光度，陶瓷只能在电阻炉中高温退火，这大大限制了加工效率和衬底尺寸。
由于现阶段绝缘膜的制备复杂、适用性差、经济性差，故需要提出一种更方便、更智能的制备方式。MicroFab的喷墨打印是一种非接触和无掩膜沉积技术，并且有着广泛的液体适应性和基板适应性，可以减少材料损耗，具成本效益，结合激光烧结技术，可以实现原位、经济和快速的薄膜制备。
北京航空航天大学邱璐老师团队使用MicroFab Jetlab 4xl喷墨打印系统完成了纳米颗粒的沉积如图1所示，打印图案为3×30 mm矩形，打印点间距为0.04×0.04 mm，基板温度为160°C。
图1 MicroFab Jetlab 4xl喷墨打印系统。为了探索纳米颗粒在不同激光能量密度下的生长状态，并将其与薄膜的宏观力学和电学性能相匹配。对样片进行了SEM测试(如图2所示)，当Ed为60J/mm2左右时，可以获得黄色绝缘膜的z高表面强度和z佳绝缘性能。
图2 不同激光能量密度下W NPs烧结体的SEM图像。比例尺对应1μm长度。作为高温传感器的绝缘薄膜材料，必须考虑其高温绝缘性和绝缘连续性。如图3所示。测量了在 60 J/mm2下制造的钨基薄膜的绝缘性能。关于薄膜的高温绝缘性，研究表明WO3薄膜在200℃以下保持良好的绝缘性能(约100 MΩ /cm)，但由于半导体中导带和价带之间的能隙随着温度升高而减小导致载流子浓度升高，故在200°C以上电阻随温度升高急剧下降，在350°C时仅为56.5 k /cm。WO3作为半导体，绝缘连续性测试至关重要，在20°C和40%湿度的条件下，在最初的30小时内电阻变化很小，可以认为是高绝缘性能。
图3 钨基薄膜绝缘性能测试。
结论
通过将喷墨打印和激光氧化烧结技术相结合，为制备高性能W NPs绝缘膜提供了新方法，通过60 J/mm2的能量密度将喷墨打印的7μm厚的W NPs绝缘膜进行激光烧结，制备了强粘附 (5B)、高绝缘 (>200 MΩ/cm) 薄膜，在200℃时保持100MΩ /cm的高绝缘性，常温大气环境下绝缘30小时。钨基绝缘薄膜的高附着力、高表面强度、原位喷墨打印和激光烧结快速制备等独特性质使其具有进一步研究的价值。
原标题：喷墨打印与激光烧结技术结合用于快速制备钨基绝缘膜
