微通道中基于不互溶液-液微流体界面可控传输的定域反应微连接机制研究

The electrical interconnection for microfluidic devices and systems are usually fabricated directly inside the micro-channels. Mostly nano-sized interconnection wires are required. The transport, connection, and packaging of the fluids in the micro-channels have to be taken into account during the electrical interconnection processes. All these difficulties make it impossible for traditional microjoining principles and processes to be adopted for microfluidics. The lagging of the development of microjoining principles and techniques has become the bottle-neck for the integrated manufacturing of advanced microfluidic systems. In this work, a new mechanism of microjoining based on the controlled transport and reaction processes on the interface between immiscible two-phase microfluidic liquids is presented for making nano-interconnection wires inside the micro-channels at low temperature. The following points are the main interests: the formation and development of the interface between immiscible two-phase microfluidic liquids; the selective solution of the solutes and the formation of the controlled solution interface layer; the size-effect of the interface on the local transport and reaction processes. Both computer simulation and experiments will be made to determine the controlling factors for the momentum transport, mass transport, and chemical reactions on the immiscible microfluidic interface. Ag, Cu, and Ni nano-interconnection wires will be fabricated at the desired locations inside the micro-channels by the localized interface transport and reaction. This proposes a brand new angle of view to solve the problem of microjoining for microfluidic systems.

微流控器件与系统中，电互连通常需在流体微通道内制备，互连线尺度和定位精度多在纳米量级，同时互连的实现方式和过程必须考虑微通道中流体的输运、连接与封装，传统微连接原理和方法在此难以适用。微连接原理与技术的滞后已成为先进微流控系统集成制造的瓶颈。本项目从微流体本身的特点出发，提出利用不互溶两相微流体界面处的定域传输和反应在微通道中实现低温原位纳米互连的微连接新原理，主要研究内容包括：不互溶液-液两相微流体间界面的形成与演变；溶质的选择溶解性及界面处可控溶解界面层的形成规律；界面尺寸效应对界面处传质和反应过程的影响。本项目采用计算模拟和实验研究相结合的方式，确定不互溶微流体界面处动量传输、质量传输和化学反应的控制因素，最终利用界面处的定域传输和反应在实际微通道中预定位置分别制备Ag、Cu和Ni的纳米互连线，为解决微流控系统的微连接问题提供新的方向和相应的理论依据。

为实现微流通道内金属纳米材料和微纳互连结构的低温原位制备，分别研究并比较了互溶和不互溶液-液两相体系中的流动、传输和反应过程。互溶体系中，首先利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和十二烷基磺酸钠(SDS)形成具有双重结构的微液滴模板，然后在模板中反应得到粒径为90-220 nm的多晶铜纳米颗粒。铜颗粒外包覆有铜-有机复合壳层，抗氧化性能好，且易于在水、异丙醇、乙醇等多种溶剂中分散。可制成导电墨水或浆料，制备导电膜、互连线或金属凸点。互连结构的导电性可通过热处理大幅提高。250 oC退火的互连结构其电阻率比未退火时降低了4-5个数量级。300 oC以上退火，有机物及其分解产物能产生较为明显的还原作用，进一步提高互连的导电性和结晶质量。500 oC下热处理，铜颗粒由简单壳核结构变为多重纳米结构。铜核外出现两层铜-有机复合壳层，内壳层为晶态而外壳层为非晶态。外壳层中有3-10 nm的铜基纳米颗粒析出并自组装在铜核表面。此时互连结构电阻率小于1×10-7 Ω•m，且具有很好的抗氧化性能。高温高湿条件下长期存储，电阻率无明显变化。实验试图在微通道中利用油-水界面俘获这种铜纳米颗粒并使其沉积形成纳米线，但因其在衬底上难以稳定附着而无法形成连续的互连结构。.不互溶体系中，首先通过宏观两相反应考察各种还原剂的还原能力、铜盐的溶解性、界面反应的快慢和产物，确定了以油酸铜的油酸溶液为油相，抗坏血酸或次亚磷酸钠的水溶液为水相的两相反应体系。通过分子动力学模拟，分别建立了水、强电解质水溶液、油酸及油酸-水溶液反应体系的微观模型，发现油水接触后约50 ps形成稳定界面，界面层厚度仅为15 Å。若两相溶剂间有微量互溶，界面层将大大展宽。通过油-水界面反应实际制备得到了粒径为4-6 nm的超细铜纳米颗粒。为了使界面反应在微通道中原位进行，通过有限元和水平集方法模拟了微通道中不互溶两相的流型相图，系统地研究了流动参数、温度及表面活性剂对界面形态的影响。计算结果与实验吻合。由此确定了微通道中形成稳定平行流的条件，并在长度为6 mm的微通道中、两相雷诺数均小于10-3的条件下获得了稳定的油水两相平行流。最终利用微通道中平行流界面处的反应原位制备出宽度为100-500 nm的铜互连线。本项目提出利用不互溶两相界面处的传输和反应实现微通道中低温原位纳米互连的新原理。以上结果证明了该原理的可行性和实用性。