הדפסה מישוריים תלת ממדי של דיו מוליך

1. הקדמה מסמך זה מדגים את 1D, 2D, 3D והדפסה של microelectrodes מוליך דרך הרכבה ישיר לכתוב. ישיר לכתוב הרכבה היא שיטה של ​​בניית 1D-to-3D מבנים מודפסים על ידי בתצהיר של דיו מרוכז דרך חרירי בסדר. המערכת שלנו כוללת שלב מבוקרת מחשב 3 צירים תרגום, מאגר דיו זרבובית, עדשה טלסקופית 10x הדמיה (איור 1). ישיר לכתוב הרכבה היא גישה הדפסה filamentary שבו הדיו מרוכזת נמתחים דרך חרירי גלילי, אשר בקטרים ​​טווח 0.1-250 מיקרומטר (איור 2). יש לציין, בשל המאפיינים דיו viscoelastic, ישיר לכתוב הרכבה מאפשר תכונות פורש תמיכה עצמית (איור 3). עד היום, מגוון רחב של דיו, כולל אלה מורכב קרמיקה 6,7, 80-10 אורגני, מתכתי 11-15, פולימריים 16,17, ו – סול ג'ל 18,19 חומרים כברגישה זו פותחה עבור הדפסה (איור 4). 2. הכנת דיו nanoparticle מרוכז מאוד כסף דיו nanoparticle כסף מוכנים ידי הראשון המסת תערובת של 5,000 ו -50,000 משקל מולקולרי של (חומצה אקרילית) פולי בתערובת של מים 50 גרם ו 40 גרם diethanolamine (וידאו 2.1). הפולימר משמש סוכן מכסת לשלוט על גודל של חלקיקי כסף. בשלב הבא, בתמיסה מימית של כסף חנקתי מוזרק לתוך פתרון הפולימר. אחרי כן, פתרון אור צהוב שקוף מתקבל (וידאו 2.2). לאחר ערבוב במשך 24 שעות בטמפרטורת החדר, הפתרון מפתחת בצבע חום אדמדם (וידאו 2.3), אשר עולה בקנה אחד עם הקמתה של חלקיקי כסף בקוטר של 5 ננומטר, כפי שנקבע על ידי מיקרוסקופית אלקטרונים הילוכים. בשלב הבא, הפתרון הוא sonicated על 65 מעלות צלזיוס באמבט מים במשך 2 שעות לצמיחה חלקיק נוסף (וידאו 2.4). After sonication, הפתרון הוא להעביר כוס 500 מ"ל ו מקורר לטמפרטורת החדר. ואז, 300 מ"ל של אתנול הוא טיטרציה בשיעור של 30 מ"ל / דקה. מאז אתנול הוא ממיס עניים (חומצה אקרילית) את פולי מכסת סוכן, חלקיקים במהירות להקריש ולהאיץ מפתרון (וידאו 2.5). לאחר decanting supernatant, המשקע נאסף לתוך צינור צנטריפוגות ו centrifuged בסל"ד 9000 למשך 20 דקות (וידאו 2.6). לאחר שלב זה, nanoparticle מרוכז מאוד כסף דיו עם מוצקים טעינה של 85% ~ wt מתקבל (וידאו 2.7). בקרה נוספת על צמיגות הדיו מודולוס אלסטיות יכולה להיות מושגת על ידי דילול, ואחריו homogenization. לדוגמה, פתרון humectant, כגון אתילן גליקול, ניתן להוסיף את הדיו, ומעורים אז בסל"ד 2000 למשך 3 דקות בעזרת מערבל homogenization Thinky. לאחר תהליך זה, דיו אחיד של צבע כחלחל מגנטה מתקבל (וידאו 2.8). תמונת TEM מראהכסף חלקיקים מתקבל על ידי הליך זה סינתזה (איור 5_left). חלקיקים בעלי קוטר ממוצע של 20 ננומטר עם הפצה בגודל של 50-50 ננומטר. מבנים מודפסים דורשים שלאחר חישול כדי לשפר את המוליכות שלהם. לאחר חישול ב 250 מעלות צלזיוס במשך דקות פחות מ 30, את חלקיקי כסף טופס microelectrodes מוליך עם התנגדות חשמלית מתקרב ל 10 Ω • -5 ס"מ (איור 5_bottom ימין). האבולוציה microstructural של microelectrodes כסף מודפס כפונקציה של חישול בטמפרטורה מוצג נכון 5_top איור. ככל שהטמפרטורה עולה מ – ° 150-550 ° C, microelectrodes עוברים densification עם הצטמקות נפח כולל של 30% ~ 11. Rheology דיו, אשר מאוד תלוי הטעינה שלה מוצקים, קובע printability שלה. צמיגות הדיו עולה עם הגדלת טעינת מוצקים (איור 6). מכיוון לדלל דיו עם תוצאה צמיגות נמוכה מתפשטת לרוחב משמעותי, concentrצבעי ated עם טעינת מוצקים החל 70 עד 85% wt נדרשים לשם הדפסה של סיבים דיו מישוריים פורש. הדיו אלסטי מודול הטעינה עולה עם הגדלת מוצקים (איור 7). באזור viscoelastic ליניארי, מודולוס אלסטיות עולה כמעט שלושה סדרי גודל כמו מוצקים הטעינה עולה 60-75 wt%. מודולוס אלסטיות מינימלית של 2000 אבא נדרש לייצר תמיכה עצמית או פורש תכונות. 3. ישיר לכתוב הרכבה ישיר לכתוב ההרכבה מתבצעת על ידי הראשון טעינת דיו לתוך חבית מזרק. לאחר הצמדת זרבובית בתצהיר, דיו טעון את הקנה מזרק הוא רכוב על הבמה 3-ציר הדפסה (וידאו 3.1). בעזרת תוכנת מחשב, עיצובים שרירותי, כולל ליניארי, מישוריים, ומורכב תלת ממדי מבנים ניתן להפיק בקלות (וידאו 3.2). בשלב הבא, גובה זרבובית מותאם בעזרת עדשת הטלסקופ עם זום 10x (וידאו 3.3). </li> לאחר הפעלת לחץ באמצעות מערכת אוויר המופעל מחלק נוזל, הדיו מופקד על המצע עם מהירות הדפסה מבוקר (וידאו 3.4). הלחץ הנדרש תלוי rheology דיו, קוטר הנחיר, ומהירות ההדפסה, אבל ערכים טיפוסיים טווח 1-10 psi ב 2-50 מיקרומטר / s. הדפסה זו מבוצעת באוויר בטמפרטורת החדר. באמצעות הליך זה דפוס, הדפסת כסף microelectrodes פריסות שונות קשקשים גודל מודגם. לדוגמה, הדפסה של רשתות כסף מוליך עם ריווח מרכז אל מרכז קו של 100 מיקרומטר, בדוגמת על ידי זרבובית 5 מיקרומטר על מצע פרוסות סיליקון הוא הוכיח (וידאו 3.5). בנוסף, סרטון זה מראה כיצד ליצור היבט יחס גבוה מבנה גלילי על ידי זרבובית 30 מיקרומטר בשיטה שכבה אחר שכבה הדפסה (וידאו 3.6). יתר על כן, הדפסה omnidirectional של microelectrodes כסף בין שני מצעים זכוכית בקיזוז גובה 1 מ"מ difference מודגם באמצעות זרבובית 30 מיקרומטר (וידאו 3.7). חינם לגמרי עומד, microspikes כסף מודפס במאונך ניתן ליצור על ידי זרבובית 30 מיקרומטר על מצע פרוסות סיליקון Si (וידאו 3.8). לבסוף, וידאו זה מראה כתיבה ישירה של microelectrode כסף פורש באמצעות זרבובית 10 מיקרומטר (וידאו 3.9). התכונה מודפס יכולה להקיף למרחקים של עד סנטימטר אחד עם צניחת מינימלי או קריסה. 4. נציג תוצאות: הכנו nanoparticle דיו מרוכז מאוד כסף מודפס הפגינו תכונות מוליכי מוטיבים מישוריים ו 3D עבור יישומים אלקטרוניים ו אופטו עם רזולוציית ההדפסה ~ 2-30 מיקרומטר. לדוגמה, איור 8 מציג את רזולוציית הדפסה של טכניקה זו. תכונות מודפסים עם אלקטרודה רוחב מינימלי של ~ 2 מיקרומטר (1.4 מיקרומטר עבה) מתקבלים אחד לעבור באמצעות זרבובית 1-11 מיקרומטר. איור 9 להראותרשתות של כסף מוליך שקוף, בדוגמת ידי נחיר 5 מיקרומטר על גמישה הסרט polyimide 12. הטקסטים מתחת רשתות מודפס גלויים לעין. אלו רשתות כסף שקוף יכול להיות חלופות אטרקטיביות עבור שקוף (TCO) חומרים ניצוח תחמוצת. הדפסה על Conformal שאינו מישורי מצעים מופעלת גם באמצעות שיטה זו. איור 10 ממחיש את דפוס קונפורמי של אנטנה קטנה חשמלית 3D. 100 מתכת זרבובית מיקרומטר משמש להדפיס נפתול קו דפוסים על פני השטח של כוס חצי הכדור 13. גישה זו ניתן למצוא מספר יישומים, כולל אנטנות, אלקטרוניקה מושתלת לביש, וחיישנים. יישומים של microelectrodes כסף פורש בשלושה מימדי photovoltaics ו דיודות פולטות אור הם הפגינו (איור 11-14). ראשית, איור 11 הוא דוגמה פגז כדורי סיליקון. זה סרט עדין עם t-2 מיקרומטרhickness יכול להיות חוט קשור המעגל החיצוני ידי הדפסת omnidirectional 14. שיטה זו משתמשת בלחץ קשר מינימלי, וזה יתרון מאוד עבור מכשירים עדינים. בשלב הבא, איור 12 מראה דוגמה הדפסת הקישוריות פורש עבור מערך סולארי microcell סיליקון סיליקון שבו אלמנטים microribbon מופרדות פער 33-15 מיקרומטר. בשלב הבא, איור 13 מראה כסוף חיבורים עבור גליום ארסניד מבוססי LED מערך עם 4-by-4 פיקסלים, כאשר כל פיקסל (500 x 500 x 2.5 מיקרומטר 3) הוא 200 מיקרומטר במרווחים זה מזה 11. התמונה התחתונה מציגה את מערך LED, פולטות אור אדום אחיד תחת הטיה מיושם של V 6 מתוך פיקסל בודד. היכולת להדפיס אלקטרודות פורש מאפשר חיבור multilayer ללא שימוש בשכבות תמיכה או ההקרבה (תמונות למעלה). כמו הפגנה הסופי, איור 14 מראה SEM תמונות מיקרופון 3D מורכביםסריג roperiodic כסף מודפס על ידי זרבובית 5μm. באיור 1. תמונה אופטי מנגנון דיו ישיר בכתב. באיור 2. כתיבה בדיו ישיר של תכונה filamentary. באיור 3. כתיבה בדיו ישיר של תמיכה עצמית תכונות פורש. איור 4. העיצובים דיו לכתיבה דיו ישיר. מגוון רחב של צבעי viscoelastic מרוכז פותחו עבור כתיבה ישירה של 3D מבנים מישוריים ומורכב עם תכונות microscale. איור 5. (משמאל) במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) תמונה של חלקיקי כסף. (מימין למעלה) SEM תמונות של microelectrodes כסף עם הדפס של זרבובית 15 מיקרומטר כפונקציה של חישול בטמפרטורה. (מימין למטה) התנגדות חשמלית של כסף microelectrodes כפונקציה של חישול בטמפרטורה זמן. איור 6. צמיגות לכאורה (η) של דיו nanoparticle כסף כפונקציה של טעינת מוצקים. איור 7. שאר אלסטי מודולוס (G ') כפונקציה של מתח גזירה עבור צבעי nanoparticle כסף משתנה טעינת מוצקים. איור 8. SEM תמונות של מערכים מישוריים של microelectrodes כסף בדוגמתעל פרוסות סיליקון Si עם זרבובית 1-מיקרומטר. איור 9. תמונה אופטי של רשתות כסף מוליך שקוף (משמאל) תמונות SEM של רשתות מודפס כפונקציה של גובה קו (מימין). איור 10. תמונה אופטי שנתפסו במהלך ההדפסה קונפורמי של אנטנות קטנות חשמלית על מצע זכוכית חצי כדור. איור 11. תמונה אופטי שהושגו במהלך הדפסה של כסף microelectrodes פורש על מעטפת סיליקון דק (2-מיקרומטר) כדורית. איור 12. SEM תמונה של microelectrode כסף פורש מודפס על גבי סיליקון, כדיlar microcell המערך. איור 13. SEM תמונות (למעלה) ו תמונה אופטי (התחתון) של 4-4-על ידי מערך השבבים מחוברים ביניהם על ידי LED microelectrodes כסף. איור 14. SEM תמונה של הסריג כסף 3D microperiodic.