Planar en drie-dimensionale printen van geleidende metallic inkten wordt beschreven. Onze aanpak biedt nieuwe mogelijkheden voor het vervaardigen van gedrukte elektronische, opto-elektronische en biomedische apparaten in ongewone lay-outs op de microschaal.
Gedrukte elektronica vertrouwen op low-cost, grote oppervlakte fabricage routes naar flexibele of multidimensionale elektronische, opto-elektronische en biomedische apparaten 1-3 te creëren. In dit artikel richten we ons op een-(1D), twee-(2D), en drie-dimensionale (3D) printen van geleidende metallic inkten in de vorm van flexibele, rekbare, en verspreid over micro-elektroden.
Directe-write assemblage 4,5 is een 1-op-3D printing techniek die de fabricage van de functies, variërend van eenvoudige lijnen tot complexe structuren door de afzetting van geconcentreerde inkt door middel van fijne sproeiers (~ 0,1 tot 250 micrometer) mogelijk maakt. Deze drukkerij methode bestaat uit een computer-gestuurde 3-assige vertaling stadium een inktreservoir en nozzle, en 10x telescopische lens voor visualisatie. In tegenstelling tot inkjet printen, een druppel-gebaseerd proces, directe-write assemblage betreft de extrusie van inkt filamenten hetzij in-of out-of-plane. De gedrukte filamenten doorgaans voldoen aan de nozzle grootte. Hence, kan microschaal functies (<1 micrometer), een patroon en geassembleerd in grotere arrays en multidimensionale architecturen.
In deze paper, we eerst synthetiseren een sterk geconcentreerde zilveren nanodeeltjes inkt voor planaire-en 3D-printen via direct-write montage. Vervolgens is een standaard protocol voor het afdrukken van micro-elektroden in multidimensionale motieven aangetoond. Tot slot, zijn toepassingen van gedrukte micro-elektroden voor het elektrisch kleine antennes, zonnecellen, en licht-emitterende diodes gemarkeerd.
Conventionele druppel-gebaseerd printen benaderingen, zoals inkjet printen, zijn beperkt tot de fabricage van vlakke elektroden met een lage aspect ratio als gevolg van de verdunde karakter en de lage viscositeit van de gebruikte inkten. Recent zijn dip-pen nanolithografie (DPN) 20-22 en e-jet printen 23-25 werd gebruikt om het patroon geleidende eigenschappen. Deze routes ook gebruik te verdunnen, te lage viscositeit inkten. Pearton en collega's gebruikt DPN om een commercieel verkrijgbare zilveren nanodeeltjes inkt deponeren bij schrijfsnelheden tot 1600 micrometer s -1 en lijn breedte van ongeveer 0,5 um 22. Echter, fabricage van reproduceerbare patronen over grote gebieden moet nog worden aangetoond door deze aanpak. Zilveren nanodeeltjes inkten zijn ook gedeponeerd per e-jet printen naar geleidende sporen te vormen met lijndikte van ~ 1,5 um 25. Echter, zoals met inkjet printen, kan niet-homogene gedrukte functies ontstaan als gevolg van satelliet druppelvorming en niet-uniforme neerzetten drying 24,25.
Zoals aangetoond boven, direct-schrijven assemblage van geconcentreerde zilveren nanodeeltjes inkt overwint deze beperkingen door middel van een continuvezelmateriaal-gebaseerd printen aanpak. Deze techniek maakt het mogelijk fabricage van geleidende micro-elektroden met een hoge aspect ratio's (h / w ≈ 1,0) in een enkele passeert waardoor de creatie van 1D, 2D en 3D architecturen. De grootte van de gedrukte functies hangt af van nozzlediameter, inkt vaste stoffen laden, uitgeoefende druk, en de afdruksnelheid. Tot op heden, geleidende sporen zo klein als ~ 2 micrometer zijn patroon met behulp van een 1 micrometer mondstuk op een bescheiden snelheden (<2 mm s -1). Door het afstemmen van de inktsamenstelling en nozzle geometrie, de maximale afdruksnelheid van meer dan 10 cm s -1 mogelijk. Echter, met hoge snelheid afdrukken van het gebruik van fijne sproeiers (<5 micrometer) blijft een belangrijke uitdaging.
Om aan te tonen toepassingen van direct-write assemblage, we verzonnen geleidende rasters, electrically kleine antennes, zonnecellen en light-emitting diodes met een vlakke en verspreid over gedrukte elektroden (zie figuur 8-14). Met name, is onze aanpak niet beperkt tot de creatie van metalen structuren. Het gebruik van andere inkt ontwerpen, zoals die op basis van zijde fibroin, hydrogel en voortvluchtige organische inkten, hebben we gebouwd 3D steigers en microvasculaire netwerken voor tissue engineering en celculturen via direct-write assemblage 26-30.
Kijken naar de toekomst, zijn er vele mogelijkheden en uitdagingen. Verdere vooruitgang vereisen nieuwe inkt ontwerpen, een betere modellering van inktstroom dynamiek, en een verbeterde robot-en controlesystemen. Groot oppervlak fabricage van 1D naar 3D-structuren met een hoge doorvoersnelheid en nanoschaal resolutie (<100 nm) blijft een belangrijke uitdaging.
The authors have nothing to disclose.
Dit materiaal is gebaseerd op het werk ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, Materials Sciences and Engineering Division (Award No DEFG-02-07ER46471) en de DOE Energy Research Center op Light-materialen Interacties in Energy Conversion (Award No DE-SC0001293 ) en profiteerde van de toegang tot het Centrum voor Microanalyse van materialen binnen de Frederick Seitz Materials Research Laboratory (FSMRL).
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Yorumlar |
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 |