Summary
Плоские и трехмерной печати проводящих металлизированных красок описано. Наш подход открывает новые возможности для изготовления печатных электронных, оптоэлектронных и биомедицинских устройств в необычных макетов на микроуровне.
Abstract
Печатная электроника полагаться на недорогой, большой площади маршрутов изготовления для создания гибких или многомерных электронных, оптоэлектронных и биомедицинских устройств 1-3. В данной работе мы ориентируемся на один-(1D), двух-(2D) и трехмерных (3D) печати проводящих металлизированных красок в виде гибкого, эластичного и охватывающих микроэлектродов.
Прямая запись сборки 4,5 является 1-к-3D печать техника, которая позволяет изготовление функций, начиная от простых линий до сложных структур осаждения концентрированных чернил через мелкие сопла (~ 0,1 - 250 мкм). Этот метод печати состоит из управляемых компьютером 3-осевой перевод этапе, резервуар чернил и сопла, и 10-кратным телескопическим объективом для визуализации. В отличие от струйной печати, капли процесс, основанный, прямая запись сборки включает в себя выдавливание краски нитями либо в или вне плоскости. Печатные нити обычно соответствуют размер сопла. Hencе, микромасштабной функций (<1 мкм), могут быть составлены по образцу и собраны в более крупные массивы и многомерные архитектур.
В этой статье мы впервые синтезировать высококонцентрированных чернила наночастиц серебра для плоских и 3D-печать через прямую и запись собрания. Далее, стандартный протокол для печати микроэлектродов в многомерном мотивов продемонстрировано. Наконец, приложения печатных микроэлектродов для электрически малых антенн, солнечных батарей, и светоизлучающие диоды будут выделены.
Protocol
1. Введение
- Эта статья демонстрирует, 1D, 2D, и 3D-печати проводящих микроэлектродов через прямую и запись собрания.
- Прямая запись сборки методом наращивания 1D-на-3D печатных структур осаждения концентрированных чернил через мелкие сопла.
- Наша система состоит из управляемых компьютером 3-осевой перевод этапе, резервуар чернил и сопла, и 10-кратным телескопическим объективом для работы с изображениями (рис. 1).
- Прямая запись сборка нитевидных подходе печати, при котором сосредоточены чернила выдавливаются через цилиндрические сопла, диаметр которых варьируется от 0,1 до 250 мкм (рис. 2). Примечательно, что из-за характеристик вязкоупругих чернила, прямая запись сборки позволяет самонесущих охватывающие особенности (рис. 3). На сегодняшний день широкий спектр красок, в том числе состоящие из керамического 6,7, органические 8-10, 11-15 металлических, полимерных 16,17, и золь-гель 18,19 материалы былиразработанные для этой печати подхода (рис. 4).
2. Подготовка высококонцентрированных краски серебряные наночастицы
- Серебряные чернила наночастицы готовы сначала посредством растворения смесь 5000 и 50000 молекулярный вес поли (акриловая кислота) в смеси 50 г воды и 40 г диэтаноламина (Video 2.1).
- Полимера выступает в качестве агента укупорки для контроля размера наночастиц серебра.
- Затем водный раствор нитрата серебра вводится в раствор полимера. После того, светло-желтый прозрачный раствор получается (Video 2.2).
- После перемешивания в течение 24 часов при комнатной температуре раствор развивается красно-коричневый цвет (Video 2.3), что совпадает с образованием наночастиц серебра из 5 нм в диаметре, как это определено просвечивающей электронной микроскопии.
- Далее, решение ультразвуком при 65 ° С на водяной бане в течение 2 часов для дальнейшего роста частиц (Video 2.4).
- AfteГ ультразвуком, раствор переносят в 500 мл стакан и охлаждают до комнатной температуры. Затем, в 300 мл этанола титруют со скоростью 30 мл / мин. Поскольку этанол плохим растворителем для поли (акриловая кислота) укупорки агента, частицы быстро коагулируют и выпадают в осадок из раствора (Video 2.5).
- После декантации супернатант, осадок собирают в центрифужную пробирку и центрифугировали при 9000 оборотов в минуту в течение 20 минут (Video 2.6).
- После этого шага, высокая концентрация наночастиц серебра чернила с твердых загрузка ~ 85% массы получается (Video 2.7).
- Далее контроль над вязкости чернил и модуль упругости может быть достигнута путем разбавления, а затем гомогенизации. Для примера, увлажнитель решения, такие как этиленгликоль, могут быть добавлены в краски и затем гомогенизируют при 2000 оборотов в минуту в течение 3 минут с помощью смесителя Thinky гомогенизации. После этого процесса, единой чернила голубовато в пурпурный цвет получается (Video 2.8).
- ПЭМ изображение показываетнаночастиц серебра, полученных этим процедура синтеза (рис. 5_left). Частицы имеют средний диаметр 20 нм с распределения по размерам 5-50 нм. Печатные структур требует последующей отжиг для повышения их проводимость. После отжига при 250 ° С в течение менее 30 мин, наночастицы серебра форме проводящие микроэлектродов с удельным электрическим сопротивлением приближается к 10 -5 Ω • см (рис. 5_bottom справа). Микроструктурных эволюции печатных серебра микроэлектродов в зависимости от температуры отжига показана на рисунке справа 5_top. При повышении температуры от 150 ° до 550 ° C, микроэлектродов проходят уплотнения с общей объемной усадки ~ 30% 11.
- Чернил реология, которая сильно зависит от его загрузки твердых тел, определяет его нанесения печати. Вязкость краски возрастает с увеличением загрузки твердых тел (рис. 6). Потому что разбавленные чернила с низким уровнем вязкости в результате значительное боковое распространение, concentrated чернила с загрузкой твердого тела от 70 до 85% по весу, необходимые для печати из плоских и охватывающих нитей чернил.
- Чернил модуль упругости возрастает с увеличением загрузки твердых тел (рис. 7). В линейной области вязкоупругого, модуль упругости возрастает почти на три порядка величины, что и твердые загрузки увеличивается от 60 до 75% по массе. Минимальный модуль упругости 2000 Па требуется для производства самонесущих или охватывающие особенности.
3. Прямая запись сборки
- Прямая запись сборки осуществляется первой загрузки чернил в шприце баррель. После установки осаждения сопла, чернила загружены баррель шприц устанавливается на 3-осевой печати этапе (Видео 3.1).
- Использование компьютерных программ, произвольные конструкции, в том числе линейные, плоские и сложные трехмерные структуры могут быть легко генерируются (Video 3.2).
- Далее, высота патрубка регулируется с помощью телескопа объектив с 10x зумом (Video 3.3). После применения давления, используя пневматический дозатор жидкости, чернила наносятся на подложку с контролируемой скоростью печати (Video 3.4). Необходимое давление зависит от чернил реология, диаметр сопла, и скорость печати, но типичные значения в диапазоне от 10-100 бар при 20-500 мкм / с Это печать производится на воздухе при комнатной температуре. С помощью этой процедуры печати, печать из серебра микроэлектродов в различных макетов и размер шкал продемонстрировано.
- Для примера, печать проводящие сетки серебристого цвета с центра до центральной линии шагом 100 мкм, узорчатые на 5-мкм сопла на субстрат кремниевой пластины показана (Video 3.5).
- Кроме того, это видео показывает, как создать высокое соотношение сторон цилиндрические структуры 30-мкм сопла использованием слой за слоем метод печати (Video 3.6).
- Кроме того, всенаправленный печати серебра микроэлектродов двух стеклянных подложек компенсировано 1-мм высота диfference демонстрируется использование 30-мкм сопла (Video 3.7).
- Полностью свободно стоящая вертикально печатных microspikes серебро может быть создан 30-мкм сопла на подложке Si пластин (Video 3.8).
- Наконец, в этом видео показано прямое написание охватывающих серебряных микроэлектродов использованием 10-мкм сопла (Video 3.9). Печатные функция может быть разбита на расстоянии до одного сантиметра с минимальным опустив или деформации.
4. Представитель результаты:
Мы подготовили высококонцентрированных краски серебряные наночастицы и продемонстрировали печатные проводящих функций в плоских и 3D мотивы для электронных и оптоэлектронных приложениях с печатью разрешением ~ 2 - 30 мкм. Для примера, на рисунке 8 экспонатов разрешение печати этой техники. Печатные черты с минимальной шириной электрода ~ 2 мкм (1,4 мкм) получены в один проход использованием 1-мкм сопла 11.
Рисунок 9-шоус прозрачной проводящей сетки серебра, узорчатый на 5 мкм сопла на гибкой полиимидной пленки 12. Тексты под печатного сетки четко видны. Эти прозрачные сетки серебра может быть привлекательной альтернативой для прозрачного проведения азота (TCO) материалов.
Конформные печати на неплоских субстратов также включена по этому методу. Рисунок 10 демонстрирует конформное печать 3D электрически небольшой антенны. 100 мкм металла сопла используется для печати меандр-линии узоров на поверхности стекла полушарии 13. Этот подход может найти несколько приложений, включая имплантируемые и удобный для ношения антенны, электроника и датчики.
Приложения остовных серебра микроэлектродов в трехмерном солнечной энергетике и светодиодов показаны (рис. 11-14).
Во-первых, рисунок 11 является примером оболочки кремния сферической. Эту неопределенную фильм с 2-мкм тhickness можно проволочной связан с внешней цепи по всенаправленный печати 14. Этот метод использует минимальное контактное давление, что является весьма выгодным для тонких устройств.
Далее, рисунок 12 показывает пример печати охватывающих интерконнекта для кремниевых солнечных микроэлемент массив, в котором кремний microribbon элементы отделяются друг от друга 33-мкм зазор 15.
Следующее, на рисунке 13 показаны серебряные кабели для арсенида галлия основе светодиодов с 4-на-4 пикселей, где каждый пиксель (500 х 500 х 2,5 мкм 3), расположенных 200 мкм друг от друга 11. Нижнее изображение отображает светодиодов, излучающих равномерный красный свет под применяются смещения 6 В от одного пикселя. Возможность печати охватывающих электродов позволяет многослойные соединения без использования поддержки или жертвенного слоя (верхнего изображения).
В качестве последней демонстрации, на рисунке 14 показаны SEM изображения для микрофона комплекс 3Droperiodic серебряной решетки напечатаны 5 мкм сопла.
Рисунок 1. Оптическое изображение прямое аппарата чернила.
Рисунок 2. Прямая чернила из нитевидных функцию.
Рисунок 3. Прямая чернила самонесущих охватывающие особенности.
Рисунок 4. Ink конструкций для непосредственной записи чернилами. Широкий спектр сосредоточен чернила вязкоупругих были разработаны для непосредственной записи плоских и сложных 3D-структур с микромасштабной особенности.
Рисунок 5. (Слева) просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) изображение наночастиц серебра. (Вверху справа) СЭМ изображения серебра микроэлектродов по образцу с 15-мкм сопла в зависимости от температуры отжига. (Внизу справа) Электросопротивление серебряных микроэлектродов в зависимости от температуры отжига и времени.
Рисунок 6. Кажущаяся вязкость (η) из серебра чернила наночастиц в зависимости от загрузки твердых тел.
Рисунок 7. Сдвигу модуль упругости (G ') в зависимости от напряжения сдвига для серебра чернила наночастиц различной твердых нагрузки.
Рисунок 8. СЭМ изображения плоских массивов серебряных микроэлектродов узорныена пластине кремния с 1-мкм сопла.
Рисунок 9. Оптическое изображение прозрачных проводящих сетки серебра (слева) и СЭМ изображения сетки печатаются как функция линии шаг (справа).
Рисунок 10. Оптическое изображение, снятое во время конформной печати электрически малых антенн на полусферической стеклянной подложки.
Рисунок 11. Оптическое изображение, полученное во время печати остовных серебряных микроэлектродов на тонкую (2 мкм) кремния сферической оболочки.
Рисунок 12. SEM образ охватывающих серебряных микроэлектродов печатается на кремний такЛар микроэлемент массива.
Рисунок 13. СЭМ изображения (вверху) и оптического изображения (внизу) 4-на-4 светодиодов чипа соединены серебряными микроэлектродов.
Рисунок 14. СЭМ изображения 3D-microperiodic решетки серебра.
Discussion
Обычные капли печати на базе подходов, таких как струйная печать, ограничиваются изготовления плоских электродов с низким соотношением сторон из-за разбавления природы и низкой вязкости чернил используется. В последнее время ближнего пера нанолитографии (ДПН) 20-22 и электронной струйной печати 23-25 были использованы для картины проводящих функций. Эти маршруты также использовать разбавленный, низкой вязкости чернил. Pearton и его сотрудники использовали ДПН внести имеющиеся в продаже чернила наночастиц серебра на скорость записи до 1600 мкм с -1 и ширины линий около 0,5 мкм 22. Тем не менее, изготовление воспроизводимые модели на больших площадях до сих пор не демонстрирует такой подход. Серебряные чернила наночастицы были также сданы на хранение электронной струйной печати для формирования проводящих трассы с линией шириной ~ 1,5 мкм 25. Однако, как и струйной печати, неоднородные печатные возможности могут возникнуть в связи с образованием спутниковой падение и неравномерное падение гнении 24,25.
Как было показано выше, прямое и записи сборки концентрированных чернил наночастиц серебра преодолевает эти ограничения через нитевидные-печать подход. Эта методика дает возможность изготовления проводящих микроэлектродов с высокой пропорции (ч / б ≈ 1,0) в одном проходит позволяя создавать 1D, 2D, и 3D-архитектур. Размер печатной функций зависит от диаметра сопла, загрузка твердых чернил, приложенного давления и скорость печати. На сегодняшний день проводящих следы размером до ~ 2 мкм были узорной использованием 1 мкм сопла при скромных скоростях (<2 мм с -1). По пошиву состав чернил и сопла геометрия, максимальная скорость печати свыше 10 см -1 с, возможно. Тем не менее, высокая скорость печати с использованием тонких форсунок (<5 мкм) остается серьезной проблемой.
Для демонстрации применения прямой записи собраний, были изготовлены проводящие сетки, эльectrically небольших антенн, солнечных батарей, и светоизлучающих диодов с плоскими и охватывает печатные электроды (рис. 8-14). Примечательно, что наш подход не ограничивается созданием металлических конструкций. Использование других конструкций чернил, такие, как те, которые основаны на шелке фиброина, гидрогель и летучие органические краски, мы построили 3D леса и микрососудистых сетей для тканевой инженерии и клеточной культуре посредством прямой записи сборки 26-30.
Глядя в будущее, Есть много возможностей и проблем. Дальнейшее развитие требует новых конструкций чернил, лучше моделирования динамики потока чернил и улучшенные роботов и систем управления. Большой площади изготовления 1D до 3D структур с высокой пропускной способностью и наноразмерных разрешение (<100 нм) остается серьезной проблемой.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Этот материал основан на работе поддержке Министерства энергетики США, материаловедение и инжиниринга (решение № DEFG-02-07ER46471) и Министерства энергетики энергетических исследований Центра по световой Материалы взаимодействия в Energy Conversion (решение № DE-SC0001293 ), а также извлекли выгоду из доступа к Центр Микроанализ материалов в рамках Фредерик Зейтц Материалы научно-исследовательская лаборатория (FSMRL).
Materials
| Name | Company | Catalog 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 Inc. | 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 Made | - | Mingjie Xu |
References
- Chrisey, D. B.
- Sirringhaus, H. High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits. Science. 290, 2123-2126 (2000).
- Kim, R. -W. Waterproof AllnGaP optoelectronics on stretchable substrates with applications in biomedicine and robotics. Nat. Mater. 9, 929-937 (2010).
- Lewis, J. A., Gratson, G. M.
- Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Adv. Funct. Mater. 16, 2193-2204 (2006).
- Lewis, J. A., Smay, J. E., Stuecker, J., Cesarano, J. Direct ink writing of three-dimensional ceramic structures. J. Am. Ceram. Soc. 89, 3599-3609 (2006).
- Smay, J. E., Gratson, G. M., Shepherd, R. F., Sesarano, J., Lewis, J. A. Directed colloidal assembly of 3D periodic structures. Adv. Mater. 14, 1279-1283 (2002).
- Therriault, D., White, S. R., Lewis, J. A. Chaotic mixing in three-dimensional microvascular networks fabricated by direct-write assembly. Nat. Mater. 2, 265-271 (2003).
- Hansen, C. J., Wu, W., Toohey, K. S., Sottos, N. R., White, S. R., Lewis, J. A. Self-healing materials with interpenetrating microvascular networks. Adv. Mater. 21, 4143-4147 (2009).
- Therriault, D., Shepherd, R. F., White, S. R., Lewis, J. A. Fugitive ink for direct-write assembly of three-dimensional microvascular networks. Adv. Mater. 17, 395-399 (2005).
- Ahn, B. Y. Omnidirectional printing of flexible, stretchable, and spanning silver microelectrodes. Science. 323, 1590-1593 (2009).
- Ahn, B. Y., Lorang, D. J., Lewis, J. A. Transparent conductive grids via direct writing of silver nanoparticle inks. Nanoscale. 3, 2700-2702 (2011).
- Adams, J. J. Conformal printing of electrically small antennas on three-dimensional surfaces. Adv. Mater. 23, 1335-1340 (2011).
- Guo, X. Two- and three-dimensional folding of thin film single-crystalline silicon for photovoltaic power applications. PNAS. 106, 20149-20154 (2009).
- Yoon, J. Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs. Nat. Mater. 7, 907-915 (2008).
- Gratson, G. M., Xu, M., Lewis, J. A.
- Lebel, L. L., Aissa, B., Khakani, M. A. E., Therriault, D. Ultraviolet-assisted direct-write fabrication of carbon nanotube/polymer nanocomposite microcoils. Adv. Mater. 22, 592-596 (2010).
- Ahn, B. Y., Lorang, D. J., Duoss, E. B., Lewis, J. A. Direct-write assembly of microperiodic planar and spanning ITO microelectrodes. Chem. Commun. 46, 7118-7120 (2010).
- Duoss, E. B., Twardowski, M., Lewis, J. A. Sol-gel inks for direct-write assembly of functional oxides. Adv. Mater. 19, 3485-3489 (2007).
- Salaita, K., Wang, Y. H., Mirkin, C. A.
- Zhang, H., Lee, K. -B., Li, Z., Mirkin, C. A. Biofunctionalized nanoarrays of inorganic structures prepared by dip-pen nanolithography. Nanotechnology. 14, 1113-1117 (2003).
- Hung, S. -C. Dip-pen nanolithography of conductive silver traces. J. Phys. Chem. C. 114, 9672-9677 (2010).
- Park, J. -U.
- Schirmer, N. C. On ejecting colloids against capillarity from sub-micrometer openings: On-demand dielectrophoretic nanoprinting. Adv. Mater. 22, 4701-4705 (2010).
- Park, J. -U. electrofield liquid jets for high-resolution printing of charge. Nano. Lett. 10, 584-591 (2010).
- Ghosh, S. Direct-write assembly of micro-periodic silk fibroin scaffolds for tissue engineering applications. Adv. Funct. Mater. 18, 1883-1889 (2008).
- Barry, R. A. Direct-write assembly of 3D hydrogel scaffolds for guided cell growth. Adv. Mater. 21, 2407-2410 (2009).
- Shepherd, J. N. H. 3D microperiodic hydrogel scaffolds for robust neuronal cultures. Adv. Mater. 21, 47-54 (2011).
- Wu, W. Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport. Soft. Matter. 6, 739-742 (2010).
- Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Adv. Mater. 23, H178-H183 (2011).
