高质量金属微纳米线阵列在微执行器、微传感器以及透明导电方面有着重要应用，而现有微纳加工技术如光刻、激光诱导沉积、蘸笔纳米直写技术等在金属微纳结构复杂性和物理性能等方面还存在很大的不足。中科院宁波材料所增材制造研发团队围绕弯液面限域电化学沉积（MCED, Meniscus-confined electrodeposition）工艺，系统研究了弯液面内传质和电化学沉积机理，开发了一种新型的电场驱动动态沉积技术，打破了MCED工艺只能在导电基底上沉积线状微结构的限制，使3D微打印微纳功能器件向系统级加工和集成方向发展。
研究团队在研究的过程中发现了控制动态扫描和沉积过程的新机制，完整的动态电沉积过程由弯液面表面及内部的传质过程和遵守法拉第电解定律的局域电沉积过程协同作用实现。其中，弯液面表面和内部的传质过程还包括复杂的溶剂挥发诱导离子迁移jw和表面张力梯度作用下的反向Marangoni流jp，如图1所示。通过理论分析和实验验证，团队成员获得了控制沉积结构尺寸和形貌的数学模型。
图1 电场驱动动态沉积（弯液面稳定）机制
与此同时，研究人员发现，在不同基底上动态电浸润过程与常规的浸润性呈相反趋势，如图2所示。由于动态电浸润作用，疏水性的金基底沉积线宽明显高于亲水性的玻璃基底。该浸润性也明显影响图1所示的“咖啡环”效应。特别是在较高打印速率下，由于咖啡环效应的发生，在导电基底上微米铜带出现明显的高度波动和滑移，而在非导电基底上则形成串珠状结构。
图2 动态电浸润测试原理图及在不同基底上的动态接触角
通过横向MCED直写制备的铜微米线具有纳米晶结构，具有超高导电率（15700S/cm），远优于通过传统方法如FIB-CVD或静电纺丝等制备的金属线。基于其优良性能，研究人员将制备的铜微米线用作连接线稳定驱动LED灯，开发了横竖向相结合的三维风速传感器演示器件，如图3所示。
图3 铜微米线的电性能及其应用
相关工作已在国际著名期刊（J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 2380-2387； Nanoscale 2017, 9, 12524-12532.）上发表；上述研究工作得到国家自然基金委（No.11574331&11674335），宁波市科技局（No.2016B10005&2015B11002）等的支持。
(纳米事业部 张显云 郭建军）