本技术公开了一种基于光控离子释放的无掩膜电化学金属3D打印装置及方法,涉及电化学金属打印装置技术领域,包括投影设备、镀槽、支撑架、阴极ITO玻璃和铜阳极;所述镀槽内放置镀液,镀槽水平放置在投影设备的投影屏幕上方,所述阴极ITO玻璃作为阴极放置在镀槽内且固定在镀槽的底部;所述铜阳极安装在所述支撑架上并与阴极ITO玻璃平行设置;所述投影设备的投影屏幕上生成的紫外光图案照射阴极ITO玻璃表面的镀液,通过外加电压在阴极ITO玻璃表面沉积金属图案;本发明利用投影设备将设计好的紫外光图案投影至局部镀液中,破坏镀液内部金属络合物结构,再外加直流电源作用下实现金属离子的局部电沉积,快速制备图案化的金属微电极。
背景技术
金属微电极是一种具有至少一个微米或纳米级别尺寸的电极,因其独特的尺寸效应而展现出高电流密度、快速响应和高灵敏度等优异的电化学特性。这些特性使得金属微电极在多个领域中得到广泛应用,包括电化学分析、生物医学研究、环境监测、能源电化学和材料科学等。在生物医学领域,它们被用于细胞内电位的测量和活体分析;在环境监测中,它们用于检测水质和空气中的污染物;在能源领域,它们有助于研究和开发新型电池和电容器。
电沉积技术是制备金属微电极的一种常用方法,它涉及在导电基底上通过电解作用沉积金属层。在这个过程中,金属离子在电解质溶液中迁移至工作电极表面,并在电极上还原形成固态金属。然而,电沉积作为一个全局性过程,其挑战在于难以实现基底上特定区域的选择性沉积。由于电流会在基底的整个表面分布,导致金属离子在整个表面还原,而非仅在局部区域。为了在特定区域实现沉积,通常需要引入额外的技术,如光刻技术或使用物理模板来定义沉积区域。这些技术通过在基底上形成掩膜图案或覆盖模板,限制电流的作用范围,从而实现局部沉积。尽管如此,这些方法增加了制造过程的复杂性和成本,并且可能受到分辨率限制,特别是在柔性或不规则形状基底上实现精细图案化时,这些挑战尤为明显。
光控数字电沉积是一种先进的微纳尺度图案化技术,此技术使用一个光敏的基底材料作为电沉积的工作电极,它通过结合光学控制和电沉积原理来实现直接在半导体基底上按需沉积薄膜。当光敏基底被特定模式的光照射时,其局部电导率会因光生电子-空穴对的产生而显著增加,从而在光照区域形成高导电性的局部区域。
但上述方法中,涉及的操作复杂且成本较高,不利于实际应用。首先,阴极光导基底的制造需要真空镀膜技术,这种技术在制备过程中成本相对较高。真空镀膜技术包括阴极电弧技术、磁控溅射技术、蒸发技术、气体离子刻蚀及辅助沉积技术等。这些技术虽然能够实现材料的沉积,但往往需要精密的设备和控制条件,从而导致时间和技术成本大大增加;另外,由于实验过程中金属离子直接沉积在阴极的光导基底上并形成一层致密的镀层,导致光导基底只能一次性使用,利用率低下。
实现思路