Planar-und dreidimensionalen Drucken von leitfähigen metallischen Farben beschrieben wird. Unser Ansatz bietet neue Wege zur Herstellung von gedruckten elektronischen, optoelektronischen und biomedizinische Geräte in ungewöhnlichen Layouts auf der Mikroebene.
Gedruckte Elektronik setzen auf kostengünstige, großflächige Herstellung Routen flexibel oder mehrdimensionale elektronische, optoelektronische und biomedizinische Geräte 1-3. In diesem Papier konzentrieren wir uns auf ein-(1D), zwei-(2D) und dreidimensionale (3D) Drucken von leitfähigen metallischen Farben in Form von flexiblen, dehnbaren und Spanning Mikroelektroden.
Direct-schreiben Montage 4,5 ist eine 1-zu-3D-Drucktechnik, die die Herstellung von Funktionen reichen von einfachen Linien bis hin zu komplexen Strukturen, die durch die Ablagerung von konzentrierten Farben durch feine Düsen (~ 0,1 bis 250 um) ermöglicht. Dieses Druckverfahren besteht aus einem computergesteuerten 3-Achs-Übersetzung Bühne, ein Tintenreservoir und Düse, und 10x Teleobjektiv für die Visualisierung. Im Gegensatz zu Inkjet-Druck, ein Tröpfchen-basierten Prozess beinhaltet direkte Schreib-Montage der Extrusion von Tinte Filamente entweder in-oder out-of-plane. Die gedruckte Fäden in der Regel erfüllen die Düsengröße. Hence können mikro-Funktionen (<1 m) strukturiert und in größere Arrays und mehrdimensionale Architekturen aufgebaut werden.
In diesem Papier haben wir zunächst Synthese einer hoch konzentrierten Silber-Nanopartikel Tinte für ebene und 3D-Druck mittels direkter Schreib-Montage. Als nächstes ist ein Standardprotokoll für den Druck Mikroelektroden in multidimensionalen Motiven demonstriert. Schließlich werden Anwendungen gedruckter Mikroelektroden für elektrisch kleine Antennen, Solarzellen und Leuchtdioden markiert.
Konventionelle Tröpfchen-basiertes Drucken Ansätze, wie Tintenstrahldruck, sind die Herstellung von planaren Elektroden mit niedrigem Aspektverhältnis durch die verdünnte Natur und niedrige Viskosität der Druckfarben verwendet begrenzt. Vor kurzem haben Dip-Pen-Nanolithographie (DPN) 20-22 und e-Jet-Druck 23-25 bis Pattern leitenden Funktionen eingesetzt. Diese Routen auch verdünnte, niedrige Viskosität Tinten. Pearton und Mitarbeiter verwendeten DPN mit einem kommerziell erhältlichen Silber-Nanopartikel Tinte schreiben Geschwindigkeiten von bis zu 1600 um s -1 und Linienbreiten von etwa 0,5 um 22 einzahlen. Allerdings hat die Herstellung von reproduzierbaren Mustern auf großen Flächen noch von diesem Ansatz nachgewiesen werden. Silber-Nanopartikel-Tinten sind auch per E-Jet-Druck hinterlegt worden, um Leiterbahnen mit Linienbreiten von ~ 1,5 um 25 zu bilden. Jedoch, wie mit Inkjet-Druck kann inhomogene gedruckten Funktionen entstehen durch Satelliten Tropfenbildung und ungleichmäßige drop drying 24,25.
Wie oben dargelegt, Direktwahltelefon, schreiben Montage von konzentrierten Silber-Nanopartikel-Tinten überwindet diese Einschränkungen durch eine fadenförmige-basiertes Drucken Ansatz. Diese Technik ermöglicht die Herstellung von leitfähigen Mikroelektroden mit einem hohen Seitenverhältnissen (h / w ≈ 1,0) in einem einzigen geht, die die Erstellung von 1D-, 2D-und 3D-Architekturen. Die Größe der gedruckten Funktionen hängt von Düsendurchmesser, Tinte Feststoffe Laden, Anpressdruck und Druckgeschwindigkeit. Bis heute Leiterbahnen so klein wie ~ 2 pm wurden gemustert mit einem 1 um Düse zu moderaten Geschwindigkeiten (<2 mm s -1). Durch Anpassung der Farbzusammensetzung und Düsengeometrie, maximale Druckgeschwindigkeit von über 10 cm s -1 sind möglich. Allerdings bleibt Hochgeschwindigkeitsdruck der Verwendung von feinen Düsen (<5 um) eine große Herausforderung.
Um zu demonstrieren, Anwendungen der direkten Schreib-Montage, wir leitfähigen Gitter, el hergestelltectrically kleine Antennen, Solarzellen und Leuchtdioden mit planaren und Spanning gedruckten Elektroden (Abbildung 8-14). Bemerkenswert ist, dass unser Ansatz nicht zur Schaffung von metallischen Strukturen beschränkt. Die Verwendung anderer Tinte entwickelt, wie sie auf Seidenfibroin, Hydrogel und flüchtigen organischen Tinten basieren, haben wir 3D-Gerüsten und mikrovaskuläre Netzwerke für das Tissue Engineering und Zellkulturen mittels direkter Schreib-Montage 26-30 errichtet.
Blick in die Zukunft, es gibt viele Möglichkeiten und Herausforderungen. Weitere Fortschritte erfordern neue Tinte entwickelt, bessere Modellierung von Tinte fließen Dynamik und verbesserten Roboter-und Steuerungssysteme. Großflächige Herstellung von 1D bis 3D-Strukturen mit hohem Durchsatz und nanoskaliger Auflösung (<100 nm) bleibt eine große Herausforderung.
The authors have nothing to disclose.
Dieses Material ist auf der Arbeit von der US-Department of Energy, Materials Sciences and Engineering Division (Preis Nr. DEFG-02-07ER46471) und dem DOE Energy Research Center on Light-Material-Interaktion in Energy Conversion (unterstützt Basis-Preis Nr. DE-SC0001293 ) und profitiert vom Zugang zum Center for Mikroanalyse von Materialien innerhalb des Frederick Seitz Materials Research Laboratory (FSMRL).
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments |
Poly(acrylic acid) | Polysciences, Inc. | 06519 | m.w. 5,000 g/mol |
Poly(acrylic acid) | Polysciences, Inc. | 00627 | m.w. 50,000 g/mol |
Silver nitrate | Sigma-Aldrich | 209139 | Silver source |
Diethanolamine | Sigma-Aldrich | D8885 | Solvent/Reducing agent |
Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 102466 | Humectant |
Sonicater | Fisher Scientific | FS30H | – |
Centrifuge | Beckman Coulter | AvantiTM J-25 I | – |
Robotic stage | Aerotech Inc. | ABL 900010 | 3-axis motion |
Syringe barrel | EFD Inc. | 5109LBP-B | 3 ml |
Nozzle | EFD Inc. | – | i.d. = 0.1 – 250 μm |
Dispenser | EFD Inc. | 800 | Air-powered |
Design software | Custom designed | – | Mingjie Xu |