Transport Phenomena in the microprinting and laser annealing of Gold Nanoparticle Inks

264 Pages·2008·21.97 MB·English

ETH Library
Transport phenomena in the
microprinting and laser annealing
of gold nanoparticle inks
Doctoral Thesis
Author(s):
Bieri, Nicole Renée
Publication date:
2004
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-004845546
Rights / license:
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Diss. ETHNo. 15590
Transport Phenomena in the
microprinting and laser annealing of
Gold Nanoparticle Inks
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
for the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
presented by
Nicole Renée Bieri
Dipl. Masch.-Ing. ETH
born on October 6th, 1972
citizen of Schangnau BE, Switzerland
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. D. Poulikakos, examiner
Prof. Dr. S. E. Pratsinis, co-examiner
Zurich, 2004
II
Ill
Acknowledgements
I would like to express my gratitude to Prof. D. Poulikakos, for his endless motivation,
enthusiasm, encouragement and valuable advice during my Ph.D. thesis. Many thanks to my
co-examiner Prof. Sotiris E. Pratsinis for his interest in my work, his time and his helpful
suggestions.
This work would not have been possible without the contributions and help from my
colleagues at the Laboratory of Thermodynamics in Emerging Technologies. I would like to
thank especially Dr. Stephan Haferl, Mathias Dietzel and Salvatore Arcidiacono for their help
and all the fruitful discussions. Additionally I would like to thank my student researchers
Niklaus Leuenberger and Christian Hasenfratz. Special thanks to Dr. Martin Müller for the
introduction and support in scanning electron microscopy. Furthermore, I would like to thank
Prof. Costas P. Grigoropoulos and Dr. Jaewon Chung for their support during my stay at
Berkeley and the ongoing fruitful collaboration (both UC Berkeley, USA). I would like to
acknowledge the technical expertise and valuable suggestion from Martin Meuli and Max
Hard and the administrative supportby our secretary Marianne Ulrich.
The financial support by Swiss National Science Foundation (Grant No. 2000-
063580.00) is kindly acknowledged.
Last but not least I would like to say a big thank you to my parents, my sisters and
Roger forbeing an endless source ofjoy and encouragement all these years.
IV
V
Table of contents
Acknowledgements III
Table ofcontents V
Zusammenfassung IX
Summary XI
List offigures XIII
List oftables XXVII
Nomenclature XXIX
1. Introduction 1
1.1. Introduction and Motivation 1
1.2. Melting point reduction ofnanoparticles 3
1.3 Outline ofthe work 13
2. Microdroplet generation 15
2.1 Experimental setup 15
2.2 Visualization Method 20
2.2.1 Flash video microscopy 20
2.2.2 High speed camera 23
3. Theoretical evaluation ofthe laser curingwavelength 27
3.1 Objectives 27
3.2 Optical behavior ofa toluene mixture with ultra fine gold particles 27
3.2.1 Rayleigh Scattering 29
3.2.2 MieMcattering 31
3.2.3 Effective medium theory 32
3.2.4 Effective medium theory with mean free path correction 33
3.3 Results 35
3.3.1 Comparison ofthe different models 37
3.3.1.1 Rayleigh Scattering 38
3.3.1.2 Mie Scattering 42
VI
3.3.1.3 Effective medium theory 44
3.3.1.4 Effective medium theory with mean free path correction 46
3.4 Conclusions 49
4. Time resolved infrared transmission experiments 51
4.1 The Concept and Objective oftheNovel Measuring Technique 51
4.2 Experimental setup 51
4.3 Results and discussion 55
4.3.1 Variation ofheating pulse duration 55
4.3.2 Variation ofheating power 57
4.3.3 Minimal processing time and transient processingtime 61
5. Laser curing experiments 65
5.1 Experimental setup 65
5.2 Characterization ofthe cured gold conductors 67
5.2.1 Optical microscopy analysis 69
5.2.2 Scanning Force Microscope (SFM) analysis 72
5.2.3 Scanning Electron Microscope (SEM) analysis 79
5.2.4 Scanning NearField Optical Microscope (SNOM) analysis 80
5.2.5 Energy-Dispersive X-ray (EDX) analysis 81
5.3. Electrical resistance measurements 83
5.4 Parameter study 86
5.4.1 Influence ofthe thickness ofdeposited suspension 87
5.4.2 Influence oflaser power and curing velocity 91
5.4.3 Calculation ofthe substrate temperature 113
5.4.4 Influence ofsubstrate thickness 126
5.4.5 Employment ofdifferent substrates 130
5.4.6 Systematic error ofmeasuring method and deviation ofresults 134
5.4.6.1 Systematic error ofmeasuring method 134
5.4.6.2 Deviation ofthe produced gold conductors 136
6. Mathematical modeling ofgold particle coalescence 139
Abstract 139
6.1. Introduction 139
VII
6.2. Analytical Model 141
6.3. Results and comparison with MD simulations 146
6.4. Influence ofthe energy interactions with the environment 153
6.4.1 Effect ofdiffusive heat loss on coalescence 155
6.4.2 Effect ofradiation heat loss on coalescence 157
6.4.3 Effect oflaser radiation heat gain on coalescence 159
6.4.4 Influence ofall energy gain and losses on coalescence 161
7. Conclusions and Recommendations 167
Appendix A. Gold nanoparticle suspension: chemical composition and TEM 171
analysis for particles size determination
A.l Composition ofgold nanoparticle suspension (Manufacturer) 171
A.2 TEM analysis for particle size determination 173
Appendix B. Code for the calculation ofthe optical behavior ofa nanoparticle 175
suspension
B.l Optical properties ofgold 175
B.2.Rayleigh Scattering 177
B.3 Mie Scattering 178
B.4 Effective medium theory 181
B.5 Effective medium theory with mean free path correction 182
Appendix C. Gaussian beam optics 185
C.1 Gaussian laser intensity profile 185
C.2 Determination ofbeam waist and depth offocus (Approximation) 185
C.3. Determination ofbeam waist with "knife edge profiling technique" 187
Appendix D. Code for particle coalescence: without and with interactions with 189
surrounding
Appendix E. Code for temperature profiles induced by scanning cw laser beam 197
VIII
Appendix F. EDX spectra 209
F.l Continuous gold layer 210
F.2 Disturbance in centre region 212
References 215
Curriculum vitae 225
IX
Zusammenfassung
Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit den thermophysikalisehen Abläufen, welche
während dem Auftragen von kolloiden Flüssigkeitstropfen („Nanotinten") und dem
laserinduzierten Schmelzen von in niedriger Volumenkonzentration enthaltenen ultrafeinen
Partikeln auftreten. Daraufaufbauend wird ausserdem eine neuartige Methode vorgestellt, um
Goldleiterbahnen mit einer Dicke von 10 - 1000 nm und einer Breite von 10 - 500 |im
herzustellen. Besonderes Interesse gilt dabei den beteiligten komplexen, ineinander
verflochtenen Transportphänomenen mikroskopisch kleinen räumlichen Ausmasses. Zu
nennen sind hierbei die Absorption und Diffusion der mittels Laserstrahlung induzierten
Energie, das Verdampfen des Tintenlösungsmittels, die durch thermokapillare Bewegungen
stattfindende Umverteilung derNanopartikel und das Verschmelzen dieserPartikel bei relativ
niedrigen Temperaturen, welches zurEntstehung von festen Mikrostrukturen führt. Abstrakter
formuliert werden untersucht: Phasenänderungen von Nanopartikel in Kombination mit
Verdampfungsvorgängen des Trägermediums unter gleichzeitiger Einwirkung der von den
Gesetzen der Thermofluiddynamik bestimmten Bewegung der freien Flüssigkeitsoberfläche.
Mit einem modifizierten Tintenstrahldrucker werden zweidimensionale Mikromuster
aus einer Suspension von Nanopartikeln in einem Lösungsmittel auf ein ebenes Substrat
gedruckt. Laserlicht wird verwendet, um das Lösungsmittel zu verdampfen und die
Nanopartikel miteinander zu verschmelzen. Dabei wird die Wellenlänge entsprechend den
Absorptionseigenschaften der Nanopartikel gewählt. Im Gegensatz zum Lösungsmittel
(Toluol), das quasi durchlässig für das Argon-Laserlicht ist, absorbieren die Partikel das Licht
innerhalb einer Eindringtiefe des Lichtes in die Suspension von O (1 |im) praktisch
vollständig. Nanopartikel haben im Vergleich zum Vollmaterial durch Oberflächeneffekte
bemerkenswerte thermophysikalisehe Eigenschaften, insbesondere die deutliche
Herabsetzung des Schmelzpunktes. Die in dieser Studie verwendeten Goldpartikel (mittlerer
Durchmesser 4 nm) schmelzen bei ca. 400 °C im Gegensatz zu 1063 °C für herkömmliches
Gold. Daher eignet sich die beschriebene Methode auch für temperaturempfindliche
Substrate. Das Aufheizen und Schmelzen der Nanopartikel wird durch Wärmeleitung von der
bereits gefertigten Goldschicht in das Substrat zu dem momentanen Schmelzbereich
unterstützt. Die umgebende Flüssigkeit wird durch Wärmeleitung der erhitzen Partikel
erwärmt und schlussendlich vollständig verdampft, wobei der thermokapillare Effekt, d.h. die
temperaturabhängige Oberflächenspannung, eine Marangoni-Strömung induziert, die das
Fluid um den sich bewegenden Laserfokuspunkt verdrängt. Der Marangoni-Effekt erzeugt
ebenfalls Zirkulationsströmungen, die in Verbindung mit der gleichzeitig stattfindenden
Verdampfung zu einem Anstieg der Partikelkonzentration in der Nähe der Kontaktlinie führt.
Dieser Partikelüberschuss verursacht für bestimmte Prozessparameter seitliche Überhöhungen
und eine deutliche Veränderung der Topographie der gedruckten Goldlinie.
Die minimale Dauer des Prozesses sowie die transienten Schmelz- und Koaleszenz-
phänomene wurden mit Infrarot (IR) Transmissionsmessungen bestimmt, welche die
zunehmende Blockierung des IR-Lichtes durch die sich bildende Goldschicht zur Messung
nutzen. Der Prozess kann je nach Laserleistung sehr schnell sein. Die Messung erlaubt es,
passende Kombinationen zwischen Laserleistung und Heizdauer zu bestimmen.
Die hergestellten Mikrostrukturen wurden mit herkömmlicher Mikroskopie, Raster¬
kraftmikroskopie (AFM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Optischer-Raster-Nahfeld-
Mikroskopie (SNOM) und Energiedispersiver Röntgenanalytik (EDX) untersucht. Die
Geometrie des Leiters ändert sich abhängig von den Betriebsbedingungen (Laserdurchmesser