技術領域和背景

本公開涉及微柱陣列，以及用于制造微柱陣列的系統(tǒng)和方法。

在電力需求不斷增長的世界中，3d電池是一個新興的熱門話題。沉積在三維(3d)微圖案結構上的固態(tài)薄膜電池具有將高功率密度和高能量密度結合在一起的潛力。微結構的比表面積使得能夠從電池中汲取高電流并且還允許快速充電。此外，密集堆積的微結構能夠?qū)崿F(xiàn)相對高的體積能量存儲。柱狀結構是優(yōu)選的，因為與類似縱橫比和尺寸的多孔或穿孔結構相比，容易獲得柱狀結構的整個表面。

針對電池電極應用，文獻中提出了各種方法以在襯底上制造高縱橫納米線或納米柱。例如參見專利文獻us2009214956aa、wo11094642a1、us2007059584aa、us2006216603aa、us2012094192aa。這些結構要么由金屬制成，要么由摻雜硅制成。例如，這些方法可包括在納米多孔模板(例如，電化學蝕刻硅或陽極化鋁)內(nèi)沉積納米線材料，以及隨后溶解模板以便釋放納米線。產(chǎn)生的納米線可具有范圍從一百納米到幾微米的各種尺寸，以及范圍從幾微米到幾百微米的各種高度。

不幸的是，涉及電沉積金屬納米線的技術通常不能產(chǎn)生具有足夠高度(在數(shù)百微米范圍內(nèi))的線，因為線可能易于傾倒。此外，納米級的高縱橫比結構比微米級結構每單位體積可容納相對更少的電荷容量。此外，使用成型技術(例如，us2012183732a1)可能是不切實際的。此外，通過硅晶片中深反應離子蝕刻制造微柱在經(jīng)濟上可能是不可行的。實際上，為了提高成本有效性，期望在相對廉價的襯底(例如，金屬箔)上以廉價的大面積工藝處理這些結構。

因此，仍然希望有提供經(jīng)濟上可行的高縱橫比導電微柱結構的改進的系統(tǒng)、方法以及產(chǎn)品，例如用于3d電池和其他應用。

概述

本公開的第一方面提供了一種用于制造微柱陣列的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括諸如被配置成保持載體的平臺之類的裝置。沉積裝置被配置成將金屬油墨層提供在載體上?？衫缦虺练e裝置提供適用于容納金屬油墨的供給。該系統(tǒng)包括或耦合被配置成提供能夠燒結金屬油墨的光的高能量光源。掩?？杀辉O置在光源和載體之間。掩模包括被配置成根據(jù)微柱陣列的橫截面圖像對光進行圖案化的掩模圖案。光源和掩模被配置為使圖案化的光照射到金屬油墨層上，由此引起金屬油墨的圖案化燒結，從而在金屬油墨中形成微柱陣列的分段層?？刂破鞅徊贾貌⒈痪幊桃钥刂瞥练e裝置、光源、以及平臺，以通過以下來制造微柱陣列：重復地將另一層金屬油墨提供到先前形成的微柱陣列的分段層上，以及將所述圖案化的光提供到該另一層金屬油墨上，以在先前形成的分段層上在金屬油墨中形成該微柱陣列的另一分段層。

本公開的第二方面提供了一種用于制造微柱陣列的方法。該方法包括向載體提供金屬油墨層。高能量光源經(jīng)由載體和光源之間的掩模照射金屬油墨層。掩模被配置成將微柱陣列的橫截面照射圖像轉(zhuǎn)移到金屬油墨上。這可能導致金屬油墨的圖案化燒結，以在金屬油墨層中形成微柱陣列的第一分段層。另一層金屬油墨可被施加在微柱陣列的第一分段層的頂部之上，并經(jīng)由相同的掩模被照射以在上面形成微柱陣列的第二分段層。

本公開的第三方面提供了一種包括多個微柱的微柱陣列，其中所述微柱由包括熔融金屬粒子的基質(zhì)中的聚合粒子的燒結金屬油墨的周期性層狀結構形成。所述多個微柱可被設置在連接微柱的箔上，其中該箔由與微柱相同的燒結金屬油墨形成。微柱可由可通過電鍍獲得的平滑外部金屬層包裹。微柱陣列可例如形成作為電池的一部分的電極。

金屬油墨通常包括金屬納米粒子的懸浮液，例如溶解在聚合物基質(zhì)中或分散在另一種溶劑中。通過熱和/或壓力燒結金屬油墨可導致凝固，例如，通過金屬粒子的熔融和/或基質(zhì)的聚合。通過使用高能量光圖案來燒結金屬油墨，可以以簡單的方式產(chǎn)生導電固體結構。掩模可塑形光圖案以產(chǎn)生柱的微米級橫截面。通過使用相同的圖案重復地添加另外的燒結金屬油墨層，微柱的高度可被增加以實現(xiàn)高縱橫比。微柱之間的未燒結材料可提供支撐以防止在添加另外的層時塌陷。該技術不依賴于任何特定的襯底(例如，硅)并可被用于大規(guī)模生產(chǎn)。因此，可以以經(jīng)濟上可行的方式產(chǎn)生高縱橫比的導電微柱。

通過在構建微柱陣列之后移除掩模并在陣列上提供另一層燒結金屬油墨，未圖案化的層可形成包括連接柱的金屬箔的基底部分。因此，以與柱相同的材料產(chǎn)生廉價的襯底。通過蝕刻未燒結部分(例如，在完成生產(chǎn)后)，可提供空間上分隔的柱的陣列。通過對燒結的微柱進行電鍍，可加強結構并平滑界面。

為了實現(xiàn)所希望的功能以用于電池，優(yōu)選地在一定尺寸范圍內(nèi)產(chǎn)生微柱。優(yōu)選地，微柱具有介于1至100微米范圍內(nèi)的橫截面直徑。優(yōu)選地，微柱以介于柱直徑的1.5至5倍的間距周期(pitchperiod)周期性地布置。優(yōu)選地，柱的高度與直徑之比介于20至200的范圍內(nèi)。例如，微柱可使用多個分段層來構建，例如，多于三十層，優(yōu)選地多于四十層、或甚至更多(例如，在五十至二百層之間)。為了以高分辨率進行適當燒結(特別是在使用較短光脈沖(即少于500微秒)的情況下)，分段層的厚度優(yōu)選地小于2微米，更優(yōu)選地是小于1.5微米，最優(yōu)選的是小于1微米。

為了提供微米級金屬油墨層的合適燒結，光源應輸送足夠的功率密度，但是不能太多，因為可能發(fā)生非預期部分的不期望的發(fā)熱。因此，發(fā)現(xiàn)在金屬油墨層處提供1至100千瓦每平方厘米(優(yōu)選的是3至30千瓦每平方厘米)的脈沖功率密度是有利的。取決于金屬油墨層中的橫向熱流(其影響圖案分辨率)，優(yōu)選使用具有介于30至10000微秒(優(yōu)選地為100至1000微秒)的脈沖長度的微秒閃光。例如，金屬油墨層處的脈沖能量密度在0.3至30焦耳每平方厘米之間，優(yōu)選地在1至5焦耳每平方厘米之間。為了防止光化學過程以及由于發(fā)熱造成加強的燒結，光源優(yōu)選地產(chǎn)生可被金屬油墨吸收的光譜(取決于材料和粒子大小)。例如，對于具有40nm平均粒子大小的銀油墨，最佳吸收處于400-450nm的波長范圍內(nèi)。.所期望的性質(zhì)可例如使用高能量閃光燈來實現(xiàn)。優(yōu)選地，微柱的圖案使用單次閃光燒結。

通過使載體透明，穿過金屬油墨層的光將不會被吸收在載體中，否則吸收可能導致載體的發(fā)熱。通過防止載體的發(fā)熱，可防止金屬油墨經(jīng)由載體而不是經(jīng)由所投射的光圖案被間接燒結。尤其是，當載體被加熱時，可能發(fā)生金屬油墨的橫向加熱。例如，載體對來自于光源的光可能具有相對較低的吸收系數(shù)，例如，小于0.1每米、小于0.01每米、或甚至小于0.001每米。替換地或附加地，平臺可被配置成充當與載體熱接觸的散熱器，用于從載體汲取熱量。例如，平臺的熱導率是載體的熱導率的十倍以上，優(yōu)選地為二十倍以上、優(yōu)選地為三十倍以上、或甚至更高(例如四十到一百倍之間)。例如，玻璃載體可具有0.9w/m/k的熱導率，而鋼平臺可具有36w/m/k的熱導率。載體的相對較低的熱導率也可有助于防止從金屬油墨層汲取熱量，否則該汲取可能妨礙油墨的燒結。此外，這可防止從金屬油墨層的燒結部分到未燒結部分的橫向熱傳導，從而改善圖案分辨率)。因此，優(yōu)選地具有熱導率小于10w/m/k的載體，優(yōu)選地小于5w/m/k、小于2w/m/k、或甚至更小(例如在0.1至1w/m/k之間)。金屬油墨的熱導率(在涂覆并干燥后)處于0.1至1w/m/k的范圍內(nèi)。燒結后，金屬粒子融合且熱導率增加，這取決于粒子的燒結或融合水平以及材料類型。為了適當?shù)責Y，金屬油墨在涂覆之后需要被適當?shù)馗稍?幾乎無溶劑)。

有利地，具有固定掩模圖案的靜態(tài)掩模可被用于產(chǎn)生微柱陣列的許多重復的層。通過使掩模直接設置在金屬油墨層之上且其間沒有光學元件，可使由于光學組件引起的損耗最小化。通過在照射金屬油墨的每一后續(xù)層之前相對于掩模移離平臺，掩模和每一后續(xù)層之間的距離可被固定。為了提供最佳分辨率，掩模和要被圖案化的金屬油墨的頂層之間的距離優(yōu)選地小于0.2毫米、優(yōu)選地小于0.1毫米(例如在10至100微米之間)、或更小。對于微柱陣列的每一后續(xù)層，通過在沉積區(qū)和照射區(qū)之間來回移動平臺，掩模可保持固定在離頂部油墨層的小距離處，而另外的層可快速地被沉積在上面。例如，層可通過包括流出開口的涂覆頭來被沉積，以控制層的厚度。

附圖簡述

通過以下描述、所附權利要求、以及附圖，本公開的裝置、系統(tǒng)和方法的這些和其他的特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，其中：

圖1a-1c示意性地描繪了用于制造微柱陣列的一實施例；

圖2a-2c示意性地描繪了用于制造微柱陣列的一實施例的進一步步驟；

圖3a-3b示意性地描繪了一種用于制造微柱陣列的系統(tǒng)；

圖4示意性地描繪了用于制造微柱陣列的一實施例的等距視圖；

圖5示意性地描繪了微柱陣列的一實施例；

圖6a描繪了閃光脈沖的測得脈沖波形；

圖6b描繪了閃光曝光的溫度分布的模擬。

具體實施方式

除非另外限定，否則在說明書和附圖的上下文中讀到時，本文中所使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有如本發(fā)明所屬領域的普通技術人員所普遍理解的相同含義。還將理解，術語(諸如通常使用的詞典中所定義的術語)應被解釋為具有與它們在相關領域的上下文中的含義一致的含義，且不應以理想化的或過于正式的意義來解釋，除非本文中明確地如此限定。在一些情況下，可能省略對公知的設備和方法的詳細描述，以免模糊對本系統(tǒng)和方法的描述。用于描述特定實施例的術語不旨在限制本發(fā)明。如本文所使用的，單數(shù)形式“一個”、“一”和“該”也旨在包括復數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。術語“和/或”包括相關羅列項目中的一個或多個項目的任何與所有組合。應當理解，術語“包括”和/或“包含”指定所述特征的存在，但不排除存在或添加一個或多個其它特征。將進一步理解，除非另外指定，否則當方法的某一特定步驟被稱為在另一步驟之后時，其可以直接接著所述另一步驟，或者在執(zhí)行該特定步驟之前可執(zhí)行一個或多個中間步驟。類似地將理解，當描述結構或組件之間的連接時，除非另外指定，否則可直接或通過中間結構或組件建立該連接。此處提及的所有出版物、專利申請、專利以及其他文獻通過引用完全結合于此。在沖突的情況下，包括定義在內(nèi)的本說明書將支配。

下面將參考其中示出本發(fā)明的實施例的附圖更完整地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實施，并且不應被解釋為限于本文所闡述的實施例。相反，提供這些實施例以使本公開將變得透徹和完整，并且將充分地將本發(fā)明的范圍傳達給本領域技術人員。示例性實施例的描述旨在結合附圖來閱讀，附圖應被認為是整個書面描述的一部分。在附圖中為了清楚起見，系統(tǒng)、組件、層、以及區(qū)域的絕對和相對大小可能被夸大?？蓞⒖急景l(fā)明的可能理想化的實施例和中間結構的示意圖和/或橫截面圖來描述實施例。在描述和附圖中，相同的附圖標號始終指代相同的元素。相關術語及其派生詞應被解釋為指的是如下文所描述的或如所討論的圖中所示的導向。這些相關術語是為了方便描述，并不要求系統(tǒng)以特定導向構建或操作，除非另有說明。

圖1a-1c示意性地描繪了用于制造微柱陣列的一實施例。

如圖1a所示，載體11被提供了金屬油墨20i層。在該實施例中，載體由分開的平臺12保持。替換地，載體和平臺可被集成為單件。提供高能量光源14，其被用于照射金屬油墨20i層。光源14的光l經(jīng)由載體11和光源之間的掩模13被圖案化。掩模13被配置成將微柱陣列的橫截面照射圖像轉(zhuǎn)移到金屬油墨20i上。如圖1b所示，這可導致金屬油墨20i的圖案化燒結，以在金屬油墨20i層中形成微柱陣列20的第一分段層21。如圖1c所示，另一層金屬油墨20i被施加在微柱陣列20的第一分段層21的頂部之上。再次經(jīng)由掩模13照射該另一層，以在上面形成微柱陣列的第二分段層21。此過程可繼續(xù)以便增加柱的高度。

在一個實施例中，掩模13是包括具有微柱陣列20的橫截面的固定掩模圖案13p的靜態(tài)掩模。在一個實施例中，掩模13被設置在金屬油墨20i層的上方，其間沒有光學元件。

在一個實施例中，載體11對于光源14的光l是透明的。在一個實施例中，平臺12被配置成充當與載體11熱接觸的散熱器，用于從載體11處汲取熱量，以防止金屬油墨20i被載體11的發(fā)熱而燒結。在一個實施例中，平臺的熱導率是載體的熱導率的十倍以上。

圖2a-2c示意性地描繪了用于制造微柱陣列的實施例的進一步步驟。

在一個實施例中，如圖2a所示，方法包括在構建微柱陣列20的多個分段層21、22、23、24之后移除光源14和載體11之間的掩模13。在該實施例中，在多個分段層21、22、23、24中最后形成的分段層24上提供另一層金屬油墨20i。此外，未圖案化的光l(沒有掩模13)被照射到該另一層金屬油墨20i上，以在最后形成的分段層24之上在金屬油墨20i中形成微柱陣列20的連續(xù)基底部分29。因此，基底部分29可形成連接陣列20的柱20p的金屬箔。

在一個實施例中(未示出)，方法以一個或多個金屬油墨層直接在載體上的覆蓋式或未圖案化的光燒結開始，然后以對柱進行圖案化燒結繼續(xù)。在這種情況下，不需要像所述最后一步那樣進行任何未圖案化的光燒結。任選地，在施加第一層金屬油墨之前，載體可包括粘附/脫模層。在另一個實施例中，任選地，燒結結構可被永久地附連到載體。以此方式，最終在蝕刻之后，柱將直立于載體上，并且載體將成為最終結構的組成部分。在這種情況下，不需要脫模層，但粘附層仍然可能有用。

在一個實施例中，載體11包括犧牲層(未示出)，其中金屬油墨20i的第一層被沉積在載體11的犧牲層上，其中通過分解犧牲層，載體11的微柱陣列20在制造之后從載體11釋放。例如，在第一金屬油墨層和載體的玻璃板之間的犧牲粘附/脫模層(可用閃光燈固化)。這樣的粘附/脫模層可使得在完成處理后容易地釋放最終柱狀結構。例如，粘附/脫模層不需要被圖案化，可被全部涂覆并固化。

在一個實施例中，如圖2b所示，方法包括蝕刻金屬油墨20i的未燒結部分20l，以提供在其間具有間隔的空間分隔的柱20p的陣列。雖然結合通過圖2a的工藝獲得的箔29示出了該實施例，但也可例如在柱仍連接到載體11的情況下施加蝕刻。

在一個實施例中，如圖2b所示，方法包括電鍍微柱陣列20。雖然結合通過圖2a的工藝獲得的箔29示出了該實施例，但也可例如在柱仍連接到載體11的情況下施加電鍍。

根據(jù)一個方面，本文描述的方法和系統(tǒng)被用于構建電池。例如，一種方法包括構建如本文所描述的微柱陣列20，并將微柱陣列20作為電極的一部分集成在電池中。因此，獲得了具有如本文所描述的集成微柱結構(例如作為一個或多個電極的一部分)的電池。

圖3a-3b示意性地描繪了用于制造微柱陣列20的系統(tǒng)100，例如實現(xiàn)如本文所描述的方法。

根據(jù)該實施例的系統(tǒng)100包括被配置成保持載體11的平臺12。該系統(tǒng)進一步包括沉積裝置15，該沉積裝置包括金屬油墨20i的供給15s。沉積裝置15被配置成將金屬油墨20i層提供在載體11之上。系統(tǒng)100包括被配置成提供能夠燒結金屬油墨20i的光l的光源14。該系統(tǒng)包括在光源14和載體11之間的掩模13。掩模13包括被配置成根據(jù)微柱陣列20的橫截面圖像對光l進行圖案化的掩模圖案。光源14和掩模13被配置為使圖案化的光照射到金屬油墨20i層上，由此引起金屬油墨20i的圖案化燒結，從而在金屬油墨20i中形成微柱陣列20的分段層。該系統(tǒng)包括控制器30，該控制器30被布置并編程以控制沉積裝置15、光源14、以及平臺12來制造微柱陣列20。

在一個實施例中，控制器被配置成在程序指令的影響下控制系統(tǒng)的各部分。程序指令可例如被收錄在計算機可讀存儲介質(zhì)上。程序指令可被包括在軟件或硬件(例如可編程或?qū)Ｓ秒娐?中。通常，存儲介質(zhì)可操作地鏈接到控制器。例如，存儲介質(zhì)可以是存儲器或其他存儲介質(zhì)，例如控制器可訪問的硬盤。存儲介質(zhì)可部分地或完全地集成為控制器的一部分，例如，ram或rom。存儲介質(zhì)也可與控制器分開。

在一個實施例中，程序指令在被控制器執(zhí)行時使得控制器控制諸如沉積裝置和可能的平臺之類的系統(tǒng)的各部分，以將另一層金屬油墨20i提供到先前形成的微柱陣列20的分段層21上。在進一步的實施例中，程序指令在被控制器執(zhí)行時使得控制器在控制沉積裝置沉積該另一層金屬油墨之前，將平臺定位在沉積區(qū)域中(例如，鄰近沉積裝置)。在另一個或進一步的實施例中，程序指令在被控制器執(zhí)行時使得控制器控制諸如光源以及可能的平臺和/或掩模之類的系統(tǒng)的各部分，以將圖案化光l提供到該另一層金屬油墨20i上，以在先前形成的分段層21上在金屬油墨20i中形成微柱陣列20的另一分段層22。在進一步的實施例中，程序指令在被控制器執(zhí)行時使得控制器在控制光源在投射區(qū)域中投射圖案化光之前，將平臺定位在圖案化光的投射區(qū)域中。在一個實施例中，系統(tǒng)包括被配置成在沉積區(qū)域和投射區(qū)域之間移動的往復式平臺。在一個實施例中，程序指令在被控制器執(zhí)行時使得控制器重復執(zhí)行提供另一層金屬油墨并形成另一分段層的所述步驟，直到形成了包括多個分段層的微柱陣列為止。

在一個實施例中(未示出)，控制器30被布置并編程以在構建微柱陣列20的多個分段層21、22、23、24之后移除光源14和載體11之間的掩模13；在所述多個分段層21、22、23、24中最后形成的分段層24之上提供另一層金屬油墨20i；以及將未圖案化的光l提供到該另一層金屬油墨20i上，以在最后形成的分段層24之上在金屬油墨20i中形成微柱陣列20的連續(xù)基底部分29，其中基底部分29形成連接陣列20的柱20p的金屬箔。

在一個實施例中，系統(tǒng)100進一步包括蝕刻裝置(例如圖2b中示出的參考標號40)，用于蝕刻金屬油墨20i的未燒結部分20l，以提供在其間具有間隔的空間分隔的柱20p的陣列。

在一個實施例中，系統(tǒng)100進一步包括電鍍裝置(例如圖2c中示出的參考標號50)，所述電鍍裝置被配置成電鍍金屬油墨20i的燒結部分20s，以平滑微柱20p的界面。

在一個實施例中，控制器30被編程為在照射金屬油墨20i的每一后續(xù)層之前相對于掩模13移離平臺12，以固定掩模13和待照射的金屬油墨20i的每一后續(xù)層之間的距離d。在一個實施例中，控制器30被配置成保持掩模13和待圖案化的金屬油墨20i的頂層之間的固定距離d，例如其中該距離d小于0.1毫米。

在一個實施例中，系統(tǒng)100包括包含沉積裝置15的沉積區(qū)a1；以及包含掩模13和光源14的照射區(qū)a2。在如圖3a和3b中所示的實施例中，對于微柱陣列20的每一后續(xù)層21、22，控制器30被編程為在沉積區(qū)a1和照射區(qū)a2之間來回移動平臺12。

在一個實施例中，沉積裝置15包括涂覆頭15h，該涂覆頭包括流出開口15o，其中控制器30被編程為相對于流出開口15o移動平臺12，以用于沉積金屬油墨20i層。在一個實施例中，沉積裝置包括用于層20i的受控施加的狹縫擠壓涂覆系統(tǒng)。也可以使用其他沉積方法。替換地或附加地，載體11可被浸入充當沉積裝置的包括金屬油墨的缸中。例如，對于每一后續(xù)層，載體可被下降到缸中。

在一個實施例中，光源是被配置成提供能夠燒結金屬油墨20i的閃光l的高能量閃光燈14。在一個實施例中，光源被配置成提供具有20至100微秒(μs)之間的脈沖長度的閃光l。在一個實施例中，光源被配置成在金屬油墨20i層處提供具有0.5至5焦耳每平方厘米(j/cm²)之間的脈沖能量密度的閃光l。在一個實施例中，光源被配置成在金屬油墨20i層處提供具有10至100千瓦每平方厘米(kw/cm²)之間的脈沖功率密度的閃光l。在一個實施例中，光源被配置成提供具有主要處于紅外波長范圍(>700nm)內(nèi)的光譜的閃光l。雖然閃光燈是本方法和系統(tǒng)的優(yōu)選光源，但是替換地或附加地，激光器可被使用。

圖4示意性地描繪了用于在載體11上制造微柱陣列20的一實施例的等距視圖；在該實施例中，光l經(jīng)由包括掩模圖案13p的掩模13投射到金屬油墨20i的頂層上。如圖所示，掩模圖案13p對應于將被創(chuàng)建的柱20p的橫截面圖案。在一個實施例中，由掩模投影的橫截面圖像包括對應于形成陣列20的微柱20p的多個橫截面形狀，其中每個橫截面形狀具有介于1至100微米范圍內(nèi)的直徑。

圖5示意性地描繪了包括多個微柱20p的微柱陣列20的一實施例。微柱20p由包括熔融金屬粒子的基質(zhì)中的聚合粒子的燒結金屬油墨的周期性層狀結構形成。在一個實施例中，陣列20的微柱20p被周期性地布置，間距周期d3介于形狀直徑d1的1.5至5倍之間。在一個實施例中，柱20p具有柱20p的高度d2和柱20p的直徑d1之間的比率d2:d1，其中比率d2:d1在20至200之間的范圍內(nèi)。在一個實施例中，柱20p包括多于三十個分段層21、22、23、24。當然，雖然柱子在這里被顯示為具有基本上圓形的橫截面形狀，但柱也可具有其它橫截面形狀，例如正方形、矩形等。直徑d1可通常指例如垂直于其長度d2的柱的最寬橫截面。

在一個實施例中，多個微柱20p被設置在連接微柱20p的箔29上，其中箔29由與微柱20p相同的燒結金屬油墨形成。在一個實施例中，微柱20p被可通過電鍍獲得的平滑外部金屬層包裹。在一個實施例中，金屬油墨包括液體聚合物基質(zhì)(pol)中的金屬粒子懸浮液。在一個實施例中，金屬油墨包括銀(ag)粒子。例如，小插圖顯示熔融銀粒子(淺色)的顯微圖像，其間具有聚合材料(深色)。在該實施例中，如圖所示，熔融金屬粒子(源自油墨)仍具有約30-200nm的可辨別的粒子大小(直徑)。

圖6a描繪了由例如本文所使用的高能量閃光燈產(chǎn)生的閃光脈沖的測得的典型脈沖波形。

圖6b描繪了閃光曝光的溫度分布的模擬。

根據(jù)該模擬，65μs的脈沖寬度被使用，通過具有15微米間距的5微米孔口的掩模來完成。該模擬是針對具有1.25微米厚度的一層金屬油墨進行的。模擬中所使用的油墨性質(zhì)從實驗測量結果導出，并列出如下：ag粒子大小：50nm、密度：7000kg/m³、熱容：400j/kgk、熱導率：0.35w/mk(當粒子融合時熱導率將迅速增加)。根據(jù)該模擬，該層中的預期溫度是250c。同時，實驗證實在相當?shù)臈l件下，獲得了3倍體電阻率的燒結層(參見圖5的插圖)。

總的來說，發(fā)現(xiàn)可實現(xiàn)的光斑直徑、間隔和固化層厚度彼此相關。層的厚度越大，需要放入該層以供燒結的功率越多。但是更高的功率也意味著更受熱影響的區(qū)域，這會影響光斑和間隔的分辨率。取決于襯底的熱導率，所需的脈沖長度被確定。因為玻璃將充當熱緩沖層，所以玻璃襯底優(yōu)選地被桌臺冷卻以便實現(xiàn)可再現(xiàn)的結果，這是該工藝有效所必需的。一旦單個層被固化，則可降下桌臺或平臺，后續(xù)層可被制造。通過涂覆-固化-下降的循環(huán)，可獲得所需的柱高。在作為襯底被釋放之后，最終柱結構可被電鍍以便獲得用于沉積電池層的平滑表面。

以這種方式形成的柱的分辨率和高度由許多參數(shù)確定，包括：金屬油墨性質(zhì)(如熱導率、粒子大小、聚合物含量等)、襯底/載體性質(zhì)(如熱導率、降解溫度、反射率等)、閃光單元參數(shù)(峰值功率、發(fā)射光譜、脈沖寬度、掩模分辨率、掩模-襯底距離等)。

設計考慮因素可進一步包括以下中的一者或多者：

-使用較低熱導率載體；否則由于熱損耗油墨可能不會燒結。

-下方桌臺優(yōu)選充當載體的良好散熱器(以防其變熱)。

-掩模和涂覆的油墨(在聚合物或溶劑基質(zhì)中)之間的間隙優(yōu)選地小于幾十微米，以實現(xiàn)更高分辨率的結構

-閃光燈優(yōu)選地跨相同區(qū)域提供均勻的影響。

-在最終洗去或蝕刻未燒結油墨期間，應注意金屬粒子不僅僅并排粘附在一起，而且被緊密地(熔融)燒結以避免燒結柱的溶解。

為了清楚和簡明的描述，特征在本文中被描述為同一或不同實施例的一部分，然而，應當理解本發(fā)明的范圍可包括具有所描述的特征中的全部或一些特征的組合的各實施例。例如，雖然各實施例被示為使用金屬油墨形成微柱陣列，但對于獲得本公開內(nèi)容益處的本領域技術人員而言，替換方式也可被設想以實現(xiàn)類似的功能和結果。例如，電學、光學、和/或結構組件可被組合或拆分成一個或多個替換組件。所討論和示出的各實施例的各種元素提供了某些優(yōu)點，諸如產(chǎn)生高縱橫比微米大小的結構。當然，應當理解，上述各實施例或過程中的任何一個可與一個或多個其他實施例或過程組合，以便在尋找和匹配設計和優(yōu)點方面提供更進一步的改善。應當理解，本公開提供了特定的優(yōu)點用于3d固態(tài)電池，并且通?？杀粦糜谄渲锌墒褂酶呖v橫比微米級結構的任何應用，例如光吸收器、光子晶體、和/或催化劑表面。公開了設備或系統(tǒng)要被布置和/或構造用于執(zhí)行特定方法或功能的各實施例內(nèi)在地公開了該方法或功能本身和/或與其他所公開的方法或系統(tǒng)的實施例相結合。此外，方法的實施例被認為在可能的情況下結合其他所公開的方法或系統(tǒng)的實施例內(nèi)在地公開了它們在相應硬件中的實現(xiàn)。此外，可被實施為程序指令(例如，在非瞬態(tài)計算機可讀存儲介質(zhì)上)的方法被認為是內(nèi)在地被公開為此類實施例。

因此，上述討論旨在僅僅是本系統(tǒng)和/或方法的舉例說明，并不應被解釋為將所附權利要求限制于任何特定的實施例或?qū)嵤├M。因此，要以說明性的方式來看待說明書和附圖，并不旨在限制所附權利要求的范圍。在解釋所附權利要求時，應當理解，詞語“包括”不排除給定權利要求中所列出的元素或動作之外的其他元素或動作的存在；某一元素之前的單詞“一個”或“一”不排除多個此類元素的存在；權利要求中的任何參考符號不限制其范圍；若干“裝置”可由相同或不同的項(一個或多個)或?qū)崿F(xiàn)的結構或功能來表示；任何所公開的設備或其部分可被組合在一起或分離成另外的部分，除非另有特別說明。在相互不同的權利要求中陳述某些手段的純粹事實并不表示不能有利地使用這些手段的組合。特別地，權利要求的所有可行組合被認為是被內(nèi)在公開的。