黃海洋，李艷，薛倩

納米鋁液的轉(zhuǎn)移方式對(duì)圖案自動(dòng)成型效果的模擬

黃海洋1，李艷2，薛倩2

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州 215104；2.北京印刷學(xué)院 數(shù)字化印刷裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600）

研究利用選擇性吸附原理實(shí)現(xiàn)納米圖案自動(dòng)成型的可行性，以及轉(zhuǎn)移方式對(duì)自動(dòng)成型效果的影響。通過分子動(dòng)力學(xué)方法分別研究塊體鋁和兩納米鋁團(tuán)簇的加熱升溫過程，得到納米鋁液勢(shì)能–溫度變化曲線，并確定納米鋁液圖案自動(dòng)成型的模擬溫度；利用LAMMPS軟件建立圖案自動(dòng)成型所需的印版模型；分別以液膜轉(zhuǎn)印和液滴噴印的方式，研究納米鋁液在石墨烯–銅基印版表面上潤(rùn)濕鋪展情況。納米鋁液能夠在石墨烯–銅基印版表面實(shí)現(xiàn)圖案自動(dòng)成型；液膜模型和液滴模型的圖案自動(dòng)成型效果不同，液膜較薄時(shí)（雙層鋁原子）模擬時(shí)間為1 200 ps時(shí)，整個(gè)體系達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，圖案區(qū)的鋁液厚度約為1.8 nm，圖案自動(dòng)成型效果較好；當(dāng)液膜較厚時(shí)（三層鋁原子），模擬時(shí)間為1 200 ps時(shí)，整個(gè)體系達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，但圖案區(qū)的兩線條間存在較多鋁原子殘留，自動(dòng)成型效果較差；而2種液滴模型均實(shí)現(xiàn)了較好的圖案成型效果，液滴數(shù)量為4滴時(shí)，模擬時(shí)間為3 000 ps時(shí)可形成厚度均勻的圖案，當(dāng)液滴數(shù)量為6滴時(shí)，模擬運(yùn)行600 ps時(shí)圖案區(qū)即可形成的穩(wěn)定均勻的線條。利用選擇性吸附原理可實(shí)現(xiàn)納米圖案自動(dòng)成型，成型效果受鋁液轉(zhuǎn)移方式的影響較大，若進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用則需綜合考慮成型效果和印刷工藝的影響。

納米鋁；石墨烯；銅；分子動(dòng)力學(xué)

印刷電子是指利用傳統(tǒng)印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件或電路的制作，與傳統(tǒng)的硅基制造技術(shù)相比，印刷電子的制造過程無(wú)需光刻、顯影、刻蝕等復(fù)雜的加工步驟，只需像傳統(tǒng)印刷方法一樣直接將功能材料以圖形化的方式印刷到承印物表面即可，加工方法簡(jiǎn)單、加工過程綠色環(huán)保，可實(shí)現(xiàn)大面積、批量化制造[1]。目前的印刷電子圖案成型技術(shù)包括噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、凹版印刷和凸版印刷，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已成功地將上述印刷技術(shù)應(yīng)用于透明導(dǎo)電膜及薄膜晶體管、射頻識(shí)別標(biāo)簽（RFID）、可穿戴印刷電子設(shè)備、柔性電子傳感器等領(lǐng)域[2-8]。由于受限于上述各印刷工藝方法所固有的屬性，如噴墨墨滴尺寸、網(wǎng)孔直徑、網(wǎng)穴形狀等客觀因素的制約，上述4種印刷方式所印制圖形的線條尺寸僅局限于毫米/微米級(jí)，納米級(jí)電子電路的制造仍采用硅基制造技術(shù)，而隨著印刷電子系統(tǒng)集成化程度的不斷提高，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)印刷將是印刷電子未來發(fā)展的重要方向。

為了實(shí)現(xiàn)微納尺寸印刷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過不同的途徑和方法進(jìn)行了研究。中科院化學(xué)所的宋延林課題組利用油墨選擇性吸附原理以及微納米結(jié)構(gòu)可以控制液滴在固體表面浸潤(rùn)和黏附行為的原理，發(fā)展出了無(wú)需曝光沖洗的納米綠色制版技術(shù)，該技術(shù)在納米版材表面構(gòu)建出了高反差的浸潤(rùn)性表面圖案，提高了印刷過程中印版的精度和油墨轉(zhuǎn)移的效率[9]。同時(shí)，宋延林課題組還發(fā)展了微米模板印刷在粒子組裝以及圖案化中的應(yīng)用，其利用光刻工藝制備了具有微米尺度的硅柱模板，硅柱模板通過控制納米粒子溶液的蒸發(fā)并誘導(dǎo)液膜定向浸潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)了納米粒子的有序圖案化[10]。Flauraud等[11]利用具有納米溝槽的物理模板，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金納米棒粒子的精確控制，通過對(duì)模板形貌的設(shè)計(jì)，獲得了由單個(gè)納米顆粒組成的多種高精度圖案。此外，在噴墨打印方面，Park等[12]發(fā)展了電流體噴墨打印技術(shù)，該技術(shù)可將含有納米粒子溶液的墨水從直徑大小為300 nm的毛細(xì)管中噴出，得到直徑為（240±50）nm的墨滴，通過圖案設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)百納米級(jí)分辨率的納米圖案等。

目前對(duì)納米級(jí)圖案印刷的研究主要以試驗(yàn)為主，工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高，且印刷尺度仍主要集中在百納米級(jí)甚至微米級(jí)，文中借鑒已有研究成果，根據(jù)油墨選擇性吸附原理，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，以納米鋁液為導(dǎo)電油墨，以石墨烯–銅為印版表面，通過利用納米鋁液在石墨烯–銅基印版表面的潤(rùn)濕梯度[13-16]，驗(yàn)證印刷電子百納米級(jí)以下圖案自動(dòng)成型的可行性，同時(shí)研究納米鋁液在石墨烯–銅基印版表面圖案自動(dòng)成型的影響因素，這對(duì)于探索實(shí)現(xiàn)印刷電子的納米級(jí)印刷具有一定的借鑒意義。

1 模型構(gòu)建及模擬方法

1.1 模型的構(gòu)建

利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件LAMMPS（Largescale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）進(jìn)行模型的構(gòu)建及仿真。LAMMPS是由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的免費(fèi)開源軟件，通過建立模型并采用不同的力場(chǎng)和邊界條件可以完成對(duì)全原子、聚合物、金屬、粗?；裙?、液、氣態(tài)系綜的分子動(dòng)力學(xué)模擬。

利用LAMMPS軟件建立圖案自動(dòng)成型所需的印版模型，見圖1，印版模型由雙層石墨烯和三層銅原子組成，其中石墨烯層為非圖案區(qū)域，銅為圖案區(qū)域，印版模型尺寸為19.4 nm×12.4 nm，銅原子組成的圖案區(qū)內(nèi)兩線條的中間寬度為3 nm，兩端寬度為4 nm，兩線條的中間間距為2 nm，兩端間距為1 nm。印版模型位于模擬盒子的底部且為固定約束，模擬盒子在、方向?yàn)橹芷谛赃吔纾诜较驗(yàn)楣潭ㄟ吔鐥l件。

將納米鋁液作為圖案成型所需的油墨，納米鋁液轉(zhuǎn)移至印版的方式可分為2種。

1）液膜轉(zhuǎn)印。納米鋁液通過類似于傳統(tǒng)膠印中印版上墨的方式，以液膜的形式轉(zhuǎn)移至印版上。為了簡(jiǎn)化模型，直接將液膜設(shè)置于靠近圖案區(qū)的印版正上方，且液膜完全覆蓋住圖案區(qū)，見圖2a。保持和方向尺寸不變（均為17 nm×10 nm），沿方向設(shè)置了厚度分別為2和3層鋁原子厚度的鋁液膜，包括液膜模型Ⅰ和液膜模型Ⅱ，分別包含了4 116、6 174個(gè)鋁原子。

圖1 印版模型

2）液滴噴印。納米鋁液通過類似于噴墨打印的方式以液滴的形式噴射至印版上，但是與傳統(tǒng)噴墨印刷不同的是，納米鋁液滴僅噴射至印版圖案區(qū)域，見圖2b，液滴噴印并不需要直接形成圖案，因此對(duì)噴頭的數(shù)量和噴墨精度要求得以降低。以3層鋁原子液膜模型為參照，分別建立了2種液滴模型Ⅰ和Ⅱ，2種液滴模型中的鋁原子數(shù)量與3層液膜模型相近，液滴模型Ⅰ中的鋁為4個(gè)鋁液滴，液滴模型Ⅱ中的鋁為6個(gè)鋁液滴，每個(gè)模型的單個(gè)液滴中分別包含了6 090、6 216個(gè)鋁原子，鋁原子數(shù)量相近。

根據(jù)上述設(shè)定的2種不同的供墨方式，建立如圖2所示的2種圖案成型模型，分別統(tǒng)稱為液膜模型和液滴模型。

1.2 勢(shì)函數(shù)的選取

文中已建立的模型中包含C、Cu和Al 3種原子，使用L–J（Lennard–Jones）勢(shì)函數(shù)來描述C–Cu，以及C–Al原子之間的相互作用[16-19]。L–J勢(shì)函數(shù)見式（1）。

式中：E為原子間的L–J勢(shì)能；0為勢(shì)阱深度，反映了兩原子間作用力的大小；0為黏附直徑，表示當(dāng)粒子之間的相互作用為零時(shí)二者之間的距離；為原子間的距離；c為截?cái)嗑嚯x。

設(shè)置C–Cu、C–Al之間的 L–J 勢(shì)參數(shù)，其中，C–Cu原子間L–J 勢(shì)黏附直徑0設(shè)置為0.22 nm，勢(shì)阱深度0設(shè)置為0.016 8 eV。C–Al原子間L–J 勢(shì)黏附直徑0設(shè)置為 0.418 nm，勢(shì)阱深度0設(shè)置為0.009 97 eV。

碳原子之間的相互作用使用AIREBO（Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order）勢(shì)函數(shù)來描述。AIREBO勢(shì)可較準(zhǔn)確地描述石墨烯內(nèi)碳原子間的相互作用，以及石墨烯片層間的相互作用，是模擬研究石墨烯材料時(shí)常采用的一種勢(shì)函數(shù)。AIREBO勢(shì)函數(shù)見式（2）。

式中：AIREBO為系統(tǒng)總勢(shì)能；EREBO用來描述系統(tǒng)中2個(gè)相鄰原子間的短程相互作用；ELJ用來描述僅有范德瓦爾斯力作用時(shí)原子間的長(zhǎng)程相互作用能；Etors為四體勢(shì)，主要用于描述4個(gè)碳原子的扭轉(zhuǎn)作用；為原子序號(hào)。

銅原子和鋁原子之間的相互作用以及鋁原子之間的相互作用使用嵌入原子法EAM（Embedded Atom Method）勢(shì)函數(shù)進(jìn)行描述。EAM勢(shì)是一種多體經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)，其總勢(shì)能包含了原子晶格間的相互作用勢(shì)以及原子核鑲嵌在電子云的嵌入能2部分，在金屬微觀模擬中采用嵌入能和對(duì)勢(shì)能之和來表示，由于把電子元對(duì)勢(shì)函數(shù)的貢獻(xiàn)考慮在內(nèi)，使得結(jié)果相對(duì)更加精確。EAM勢(shì)見式（3）—（4）。

式中：為原子間相互作用的勢(shì)函數(shù)；為把原子埋入電子云中需要的能量；Φ為除第個(gè)原子本身外其他的原子對(duì)其的排斥能；ρ為第所處空間處的電子云密度；r為第個(gè)原子和第個(gè)原子原子核之間的距離。

圖2 線條模型

1.3 納米鋁液熔點(diǎn)的確定

研究表明，納米金屬顆粒具有與金屬塊體不同的熔點(diǎn)[20-24]，在此研究中需要確定鋁在納米尺度下的熔點(diǎn)。通常情況下，金屬熔點(diǎn)可通過考察體系的勢(shì)能曲線來確定，即當(dāng)勢(shì)能對(duì)溫度的梯度發(fā)生突變時(shí)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)溫度即為金屬熔點(diǎn)。

利用LAMMPS軟件及其自帶的銅–鋁合金EAM勢(shì)函數(shù)分別對(duì)鋁塊體和納米鋁團(tuán)簇進(jìn)行熔化模擬。其中，對(duì)于鋁塊體采用周期性邊界條件，建立模擬盒子大小為1 nm×1 nm×1 nm，模擬時(shí)先在NVT系綜中300 K溫度下弛豫20 ps獲得穩(wěn)定的構(gòu)型，然后在NPT系綜下從300 K逐步升溫至1 100 K，升溫過程持續(xù)1 200 ps。

對(duì)2種尺寸的納米鋁團(tuán)簇進(jìn)行熔化模擬，兩納米鋁團(tuán)簇的尺寸分別為4.6 nm×4.6 nm×4.6 nm（鋁原子數(shù)為6 084）和3 nm×3 nm×3 nm（鋁原子數(shù)為1 688），其分別與液膜模型Ⅰ中鋁原子的數(shù)量以及液滴模型Ⅰ中每個(gè)液滴所含鋁原子的數(shù)量相似。納米鋁團(tuán)簇也采用固周期性邊界條件，為了消除周期性盒子之間近鄰原子間的相互作用，兩納米鋁團(tuán)簇均位于各自模擬盒子的中間位置，且盒子邊界設(shè)置距離大于2 nm的真空層[20]。模擬在NVT系綜下將納米鋁團(tuán)簇從300 K逐漸升溫至1 100 K，溫度間隔為10 K，每個(gè)溫度下弛豫20 ps。鋁塊體和兩納米鋁團(tuán)簇的勢(shì)能–溫度變化曲線見圖3。

由圖3a可知，鋁塊體模擬得到的熔點(diǎn)約為930 K，該溫度與實(shí)際中鋁塊材料的熔點(diǎn)933 K十分接近，這表明所選用的EAM勢(shì)函數(shù)能夠較準(zhǔn)確地模擬鋁原子間的相互作用，可用于模擬鋁材料的熔點(diǎn)，因此采用相同的EAM勢(shì)函數(shù)模擬納米鋁的熔點(diǎn)具有可行性。由圖3b和圖3c可知，納米鋁團(tuán)簇的熔點(diǎn)分別約為690 K和630 K，相比鋁塊的熔點(diǎn)均有明顯降低，并且原子數(shù)越少熔點(diǎn)越低，該降溫特性也與已有的研究結(jié)果相吻合。

文中將圖案自動(dòng)成型模型的納米鋁液的溫度設(shè)為700 K（即模擬溫度設(shè)定為700 K），模擬在正則系綜（NVT）下進(jìn)行，采用Nose–Hoover方法進(jìn)行控溫處理，采用velocity–verlet算法求解動(dòng)力學(xué)方程，模擬時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1.0 fs，總時(shí)長(zhǎng)按模擬需求設(shè)定在1 200～3 000 ps范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

2.1 圖案自動(dòng)成型可行性

以液膜模型Ⅰ為研究對(duì)象，圖4展示了納米鋁液在石墨烯–銅基印版上的圖案自動(dòng)成型演化過程。從圖4中可以看出，當(dāng)納米鋁液膜接觸石墨烯–銅基印版后，鋁開始選擇性地吸附在圖案區(qū)的銅原子上，在圖4b時(shí)圖案區(qū)兩線條間開始出現(xiàn)微小的撕裂孔洞，隨后孔洞逐漸長(zhǎng)大合并成如圖4c所示的大孔洞，大孔洞被繼續(xù)撕裂并增大，圖4d所示所有鋁原子被完全分裂至圖案區(qū)的兩線條內(nèi)，圖案成型過程初步完成，因此，液膜模型Ⅰ中的納米鋁液能夠?qū)崿F(xiàn)在印版表面的圖案自動(dòng)成型。

圖3 勢(shì)能–溫度變化曲線

在圖案自動(dòng)成型過程中，其中的一根線條的中間部位（值范圍為60～140 nm）的鋁原子隨時(shí)間的分布變化情況見圖5。在初始時(shí)刻（=0 ps），線條上面僅有雙層鋁原子，模擬開始后，銅原子線條兩側(cè)的鋁原子逐漸被吸引至線條部位，鋁原子的厚度不斷增加。當(dāng)=290 ps時(shí)，線條兩側(cè)的鋁原子被分割吸附完成，此時(shí)線條處的鋁液厚度約為2.0 nm。之后鋁原子不斷調(diào)整位置并逐步達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)= 1 200 ps時(shí)，線條處的鋁液厚度約為1.8 nm。

圖4 不同時(shí)間圖案成型情況

圖5 液膜模型Ⅰ線條厚度演化過程

圖6 1 200 ps時(shí)液膜模型Ⅱ的模擬結(jié)果

從圖6中可以看出，與液膜模型Ⅰ類似，當(dāng)納米鋁液膜接觸石墨烯–銅基印版后，鋁選擇性地吸附在圖案區(qū)的銅原子上，且圖案區(qū)兩線條間的鋁液被撕裂分割，但在運(yùn)行1 200 ps后兩線條間的鋁液仍未被分割完成，且整個(gè)體系已基本處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，即液膜模型Ⅱ中的納米鋁液無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)在印版表面的圖案自動(dòng)成型。為了分析液膜模型Ⅱ無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)圖案自動(dòng)成型的原因，繪制液膜模型Ⅰ和Ⅱ的鋁–銅原子間相互作用能曲線見圖7，兩模型的模擬時(shí)長(zhǎng)均為1 200 ps。

圖7 相互作用能曲線

由圖7可知，兩模型中的銅–鋁原子間相互作用能均能夠快速到達(dá)初步的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其中液膜模型Ⅰ中相互作用能到達(dá)平衡態(tài)的速度更快，液膜模型Ⅰ用時(shí)約為20 ps，液膜模型Ⅱ用時(shí)約為300 ps，分析其原因是液膜模型Ⅰ中圖案區(qū)上方的鋁液膜更厚，圖案區(qū)內(nèi)銅原子能夠直接吸附到更多的鋁原子，而液膜模型Ⅱ中圖案區(qū)上方鋁原子較少，銅原子需要逐漸吸附非圖案區(qū)的鋁原子以達(dá)到平衡狀態(tài)。

此外，在850 ps之后2個(gè)模型中的銅?鋁原子間相互作用能區(qū)域重疊，鋁?銅原子間相互作用能均在?8.02×10?16J附近波動(dòng)，此時(shí)圖案區(qū)域的銅原子對(duì)鋁原子的吸附已飽和，表明圖案區(qū)的銅原子只能吸附一定數(shù)量的鋁原子，分析其原因是銅原子對(duì)鋁原子的吸附能力與兩類原子間的距離有關(guān)，當(dāng)圖案區(qū)上方吸附了一定厚度的鋁原子后，圖案區(qū)銅原子對(duì)外層鋁原子的吸附能力減弱，圖案區(qū)內(nèi)鋁原子厚度無(wú)法繼續(xù)增加，從而阻礙了兩線條間的鋁原子繼續(xù)向線條內(nèi)擴(kuò)散，這就造成多余的鋁原子聚集在兩線條間形成鋁液殘留，使圖案自動(dòng)成型無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，若以液膜形式轉(zhuǎn)印油墨，液膜厚度對(duì)圖案自動(dòng)成型效果的影響較大。

2.2 轉(zhuǎn)移方式對(duì)圖案成型的影響

以液滴模型Ⅰ為研究對(duì)象，展示了納米鋁液滴在石墨烯?銅基印版上的圖案自動(dòng)成型結(jié)果，見圖8。從圖8可以看出，當(dāng)納米鋁液滴接觸石墨烯?銅基印版后，如圖8b中100 ps時(shí)所示，鋁液滴在線條的兩端團(tuán)聚成球形并開始向線條中部鋪展，由于受印版表面石墨烯?銅間潤(rùn)濕梯度的阻礙，鋁液僅沿銅原子所在的圖案區(qū)鋪展。如圖8c中150 ps時(shí)所示，此時(shí)線條中的鋁原子仍主要集中在線條兩端，鋁原子不斷向線條中部鋪展。當(dāng)模擬時(shí)間為3 000 ps時(shí)，如圖8d所示，隨著鋁液不斷向線條中部鋪展，鋁原子逐漸鋪滿整個(gè)線條，鋁液滴在兩線條中初步完成鋪展過程，并形成厚度較均一的納米鋁液線條，因此，最終液滴模型Ⅰ中的納米鋁液滴實(shí)現(xiàn)了在印版表面的圖案自動(dòng)成型。

再以液滴模型Ⅱ?yàn)檠芯繉?duì)象，圖9展示了納米鋁液滴在石墨烯?銅基印版上的圖案自動(dòng)成型結(jié)果。液滴模型Ⅱ中的納米鋁液滴也能夠?qū)崿F(xiàn)在印版表面的圖案自動(dòng)成型，但與液滴模型Ⅰ相比，液滴模型Ⅱ中鋁液滴的鋪展過程更快，在600 ps時(shí)即可完全鋪展開，此時(shí)形成的線條也比液滴模型Ⅰ更均勻。

通過以上模擬結(jié)果，在模型的印版相同、鋁原子數(shù)相近（所含的鋁原子數(shù)分別為6 174、6 090和6 216）的條件下，比較液膜模型Ⅱ、液滴模型Ⅰ和液滴模型Ⅱ的模擬結(jié)果如下。

1）圖案成型難易方面。對(duì)于含有相近原子數(shù)的納米鋁液，液膜模型Ⅱ未能實(shí)現(xiàn)圖案自動(dòng)成型，而液滴模型Ⅰ和液滴模型Ⅱ能夠?qū)崿F(xiàn)圖案自動(dòng)成型。其原因是液膜轉(zhuǎn)印的圖案自動(dòng)成型需要完成選擇性吸附和鋪展2個(gè)過程，當(dāng)液膜厚度過大時(shí)，鋁原子在線條間的選擇性吸附過程容易受阻，易造成鋁液殘留，不利于圖案的自動(dòng)成型，而液滴轉(zhuǎn)印是將液滴直接噴射至圖案區(qū)，鋁液僅需完成在圖案區(qū)的鋪展即可自動(dòng)形成圖案，圖案成型過程更容易完成。

2）圖案線條厚度方面。由于鋁?銅、鋁?鋁原子間的相互作用均大于鋁?石墨烯間的相互作用，當(dāng)液滴模型中的納米鋁液滴噴射至圖案區(qū)域時(shí)，圖案區(qū)銅原子與非圖案區(qū)碳原子間所存在的潤(rùn)濕梯度阻礙了鋁原子向非圖案區(qū)的鋪展，使鋁原子只能在圖案區(qū)內(nèi)鋪展，因此液滴噴印所形成的線條中含有的鋁原子數(shù)更多，線條厚度也增大。如圖10所示，當(dāng)液滴模型Ⅰ在3 000 ps時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，線條厚度約為2.3 nm，而液膜模型Ⅰ在1 000 ps時(shí)達(dá)到平衡，線條處的鋁液厚度約為1.8 nm，線條厚度的增加有利于提高承印物上線條的導(dǎo)電性。

圖8 液滴模型Ⅰ的演化過程

圖9 液滴模型Ⅱ的演化過程

圖10 液膜模型Ⅰ與液滴模型Ⅰ線條厚度比較

3）圖案成型效率方面。由于液滴模型Ⅱ的液滴更為分散，液滴模型Ⅱ的圖案成效速度要遠(yuǎn)大于液滴模型Ⅰ的成型速度，由此可知若要提高液滴噴印的轉(zhuǎn)移速率可通過提高液滴分散度來實(shí)現(xiàn)，但液滴分散度的提高也意味著納米液滴尺寸的減小以及噴頭數(shù)量和精度的提高，這對(duì)印刷工藝的實(shí)現(xiàn)要求也將更高。

3 結(jié)語(yǔ)

文中采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，對(duì)納米圖案自動(dòng)成型可行性及影響因素進(jìn)行了模擬分析。模擬結(jié)果表明，利用選擇性吸附原理實(shí)現(xiàn)納米圖案的自動(dòng)成型具有可行性，但仍需試驗(yàn)驗(yàn)證。液膜模型圖案自動(dòng)成型時(shí)，當(dāng)液膜厚度較小時(shí)，可實(shí)現(xiàn)圖案自動(dòng)成型；當(dāng)液膜厚度較大時(shí)，兩線條間鋁液殘留，無(wú)法完成圖案自動(dòng)成型。液滴模型圖案自動(dòng)成型時(shí)，鋁原子受潤(rùn)濕梯度的阻隔只能在圖案區(qū)域鋪展，能夠形成比液膜模型更厚的線條，并且納米液滴越分散，圖案自動(dòng)成型效率越高。

由于受計(jì)算能力和現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備所限，文中僅對(duì)納米圖案自動(dòng)成型方法進(jìn)行了初步的研究，若要實(shí)現(xiàn)該方法的實(shí)際應(yīng)用還需重點(diǎn)考慮以下幾方面。

1）成型影響因素。影響納米圖案成型效果的因素除了上述分析外，還應(yīng)包括印版潤(rùn)濕梯度值、圖案區(qū)的線條構(gòu)型、線條寬度、線條間距，以及液滴噴印時(shí)的噴射速度、噴射距離、液滴間距等。

2）印版與油墨材料選取。根據(jù)選擇性吸附原理，除了石墨烯?銅基印版，還可組合出更具可行性和實(shí)用性的印版；同時(shí)，除了納米鋁液之外，還可選擇其他更具實(shí)用性的納米導(dǎo)電油墨，例如液態(tài)合金、納米導(dǎo)電銀漿、碳系導(dǎo)電油墨等，因此，研究現(xiàn)有納米油墨在印版上的圖案自動(dòng)成型將更具實(shí)用價(jià)值，但由于涉及的成分更復(fù)雜，模擬難度也將更大。

3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。模擬過程忽略了壓強(qiáng)和空氣組分等外界因素的干擾，是在較為理想的狀態(tài)下完成的，在實(shí)際中能否實(shí)現(xiàn)還需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4）圖案的轉(zhuǎn)印。文中的研究?jī)H涉及了納米圖案在印版上的成型，而如何將印版上已形成的納米圖案轉(zhuǎn)印至承印物上還需繼續(xù)研究。

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Simulation of Transfer Mode of Nano-aluminum Liquid on Automatic Pattern Forming Effect

HUANG Hai-yang1, LI Yan2, XUE Qian2

(1. Suzhou Vocational University, Jiangsu Suzhou 215104, China; 2. Beijing Key Laboratory of Digital Printing Equipment, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China)

The feasibility of using the selective adsorption principle to realize the automatic forming of nano-patterns, and the effect of the transfer mode on the automatic forming effect were studied. The heating process of bulk aluminum and two nano-aluminum clusters was studied by molecular dynamics method respectively, the potential energy-temperature curve of nano-aluminum liquid was obtained, and the simulation temperature for automatic forming of nano-aluminum liquid pattern was determined; the LAMMPS software was used to establish the printing plate model required for automatic pattern forming; the wetting and spreading of nano aluminum liquid on the surface of graphene-copper-based printing plate were studied by means of liquid film transfer printing and droplet spray printing respectively. Nano-aluminum liquid can realize automatic pattern forming on the surface of graphene-copper-based printing plate; the effect of automatic pattern forming is different between liquid film model and droplet model. When the liquid film is thin (double-layer aluminum atoms) and the simulation time is 1,200 ps, the whole system reaches a dynamic equilibrium, the thickness of aluminum liquid in the pattern area is about 1.8 nm, and the effect of automatic pattern forming is good; when the liquid film is thick (three layers of aluminum atoms) and the simulation time is 1,200 ps, the whole system reaches dynamic equilibrium, but there are more aluminum atoms left between the two lines in the pattern areaand the automatic forming effect is poor. The two droplet models both achieve better pattern forming effect. When the number of droplets is 4, the pattern with uniform thickness can be formed when the simulation time is 3,000 ps, and when the number of droplets is 6, the pattern area can form stable and uniform lines when the simulation runs 600 ps. Using the principle of selective adsorption principle can realize the automatic forming of nano pattern, and the forming effect is greatly affected by the transfer modes of aluminum liquid. If it is applied in practice, the influence of forming effect and printing process should be comprehensively considered.

nano-aluminum; graphene; copper; molecular dynamics

TS859

A

1001-3563(2022)11-0015-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.11.003

2021–07–13

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（51707195）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金A類（3122016A009）

黃海洋（1983—），男，碩士，蘇州市職業(yè)大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)橛∷㈦娮映尚?、機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋