Impresión plana y tridimensional de tintas conductoras

Ahn, B. Y., Walker, S. B., Slimmer, S. C., Russo, A., Gupta, A., Kranz, S., et al. Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks. J. Vis. Exp. (58), e3189, doi:10.3791/3189 (2011).

Electrónica impresa se ​​basan en el bajo coste, rutas de fabricación de gran superficie para crear flexibles o multidimensional electrónicos, optoelectrónicos y dispositivos biomédicos ^1-3. En este trabajo, nos centramos en un (1D), dos (2D) y tridimensional (3D) de impresión de tintas conductoras metálicas en forma de microelectrodos flexible, extensible y de expansión.

Escritura directa de montaje ^4,5 es una técnica de impresión de 1-a-3D que permite la fabricación de características que van desde líneas simples a estructuras complejas por la deposición de tintas concentradas a través de boquillas finas (~ 0,1 a 250 micras). Este método de impresión consta de una etapa de traducción controlado por ordenador en 3 ejes, un depósito de tinta y la punta, y la lente de 10x telescópica para la visualización. A diferencia de la impresión de inyección de tinta, un proceso basado en gotas, de escritura directa de montaje consiste en la extrusión de filamentos de tinta ya sea dentro o fuera del plano. Los filamentos impresos suelen ajustarse al tamaño de la boquilla. Hence, características micro (<1 m) se pueden modelar y montados en grandes arreglos y las arquitecturas multidimensionales.

En este trabajo, lo primero que sintetizar una tinta de nanopartículas de plata de alta concentración para la impresión de planos y 3D a través de escritura directa de montaje. A continuación, un protocolo estándar para la impresión de microelectrodos en motivos multidimensional se demuestra. Por último, las aplicaciones de micro-electrodos impresos para las antenas eléctricamente pequeñas, células solares y diodos emisores de luz se destacan.

1. Introducción

1. Este trabajo demuestra la 1D, 2D, 3D e impresión de microelectrodos conductor a través de escritura directa de montaje.
2. Escritura directa de la Asamblea es un método de construcción de 1D a 3D estructuras impresas por el depósito de tintas concentradas a través de boquillas finas.
3. Nuestro sistema consiste en un ordenador controlado por la etapa de traducción de 3 ejes, un depósito de tinta y la punta, y 10x para imágenes telescópicas (Figura 1).
4. Escritura directa de la Asamblea es un método de impresión filamentosas en el que las tintas concentradas son expulsados ​​a través de boquillas cilíndricas, cuyos diámetros oscilan desde 0,1 hasta 250 m (Figura 2). Cabe destacar que, debido a las características viscoelásticas de tinta, escritura directa de montaje permite el auto-apoyo que abarca características (Figura 3). Hasta la fecha, una amplia gama de tintas, incluidos los compuestos de cerámica de ^{6,7, 8-10} orgánicos, metálicos ^{11-15, 16,17} poliméricos y materiales sol-gel ^18,19 han sidodesarrollado para este método de impresión (Figura 4).

2. Preparación de las tintas de nanopartículas de plata de alta concentración

1. Tintas de nanopartículas de plata se prepara disolviendo en primer lugar una mezcla de 5.000 y 50.000 de peso molecular (ácido acrílico) poli en una mezcla de 50 g de agua y 40 g de dietanolamina (Video 2.1).
2. El polímero actúa como un agente de recubrimiento para controlar el tamaño de las nanopartículas de plata.
3. A continuación, una solución acuosa de nitrato de plata se inyecta en la solución de polímero. Después de la adición, una luz de solución transparente amarillo se obtiene (Video 2.2).
4. Después de agitar durante 24 horas a temperatura ambiente, la solución se desarrolla un color rojizo-marrón (Video 2.3), que coincide con la formación de nanopartículas de plata con un diámetro de 5 nm, según lo determinado por microscopía electrónica de transmisión.
5. A continuación, la solución se somete a sonicación a 65 ° C en un baño de agua durante 2 horas para el crecimiento de partículas aún más (Video 2.4).
6. After sonicación, la solución se transfiere a un vaso de 500 ml y se enfrió a temperatura ambiente. Entonces, 300 ml de etanol se valora a razón de 30 ml / min. Dado que el etanol es un mal disolvente para el poli (ácido acrílico) limitación de agente, las partículas rápidamente coagulan y precipitan de la solución (Video 2.5).
7. Después de decantar el sobrenadante, el precipitado se recoge en un tubo de centrífuga y se centrifuga a 9000 rpm durante 20 minutos (Video 2.6).
8. Después de este paso, una tinta de nanopartículas de plata de alta concentración con una carga de sólidos de ~ 85% en peso, se obtiene (Video 2.7).
9. Un mayor control de viscosidad de la tinta y el módulo de elasticidad se puede lograr mediante la dilución, seguido por la homogeneización. Por ejemplo, una solución humectante, tales como el etilenglicol, se puede agregar a la tinta y luego homogeneizada a 2000 rpm durante 3 minutos usando un mezclador de homogeneización Thinky. Después de este proceso, una tinta uniforme de azul a color magenta se obtiene (Video 2.8).
10. La imagen TEM muestrananopartículas de plata obtenidas por este procedimiento de síntesis (Figura 5_left). Las partículas tienen un diámetro medio de 20 nm con una distribución de tamaño de 50-50 nm. Estructuras impresas requieren post-recocido para mejorar su conductividad. Después del recocido a 250 ° C durante menos de 30 minutos, la forma de las nanopartículas de plata microelectrodos conductor con una resistencia eléctrica se acerca a 10 ^-5 Ω • cm (figura de la derecha 5_bottom). La evolución microestructural de los microelectrodos de plata impresas en función de la temperatura de recocido se muestra en la figura de la derecha 5_top. A medida que la temperatura aumenta de 150 ° a 550 ° C, los microelectrodos someterse a la densificación con una contracción volumétrica total de ~ 30% ^11.
11. La reología de tinta, que depende fuertemente de su carga de sólidos, determina su capacidad de impresión. El aumento de viscosidad de la tinta con la carga cada vez mayor de sólidos (Figura 6). Debido a diluir las tintas con resultado de baja viscosidad en una importante difusión lateral, Concentrtintas cuencia a un carga de sólidos de 70 a 85% en peso son necesarias para la impresión de los filamentos de tinta plana y de expansión.
12. La tinta módulo de elasticidad se incrementa con el aumento de carga de sólidos (Figura 7). En la región viscoelástica lineal, el módulo elástico se eleva casi tres órdenes de magnitud que la carga de sólidos aumentos de 60 a 75% en peso. Un módulo elástico mínimo de 2.000 Pa es necesaria para producir la auto-apoyo o que abarca características.

3. Escritura directa de la Asamblea

1. Escritura directa de montaje se lleva a cabo por primera carga de la tinta en una jeringa. Después de fijar una boquilla de deposición, la tinta cargada jeringa está montado en la fase de impresión de 3 ejes (Video 3.1).
2. Mediante un programa informático, los diseños arbitrarios, incluso lineal, plana, y el complejo de estructuras tridimensionales se pueden generar fácilmente (Video 3.2).
3. A continuación, la altura de la boquilla se ajusta con la ayuda de la lente del telescopio, con un zoom de 10x (Video 3.3). Después de aplicar la presión con un aire de propulsión de líquido del sistema de distribución, la tinta se deposita sobre el sustrato con una velocidad de impresión controlada (Video 3.4). La presión requerida depende de la reología de tinta, diámetro de la boquilla y la velocidad de impresión, pero los valores típicos de rango 10 a 100 psi a 20-500 m / s. Esta impresión se realiza en el aire a temperatura ambiente. El uso de este procedimiento de impresión, la impresión de microelectrodos de plata en diferentes formatos y escalas de tamaño se demuestra.
4. Por ejemplo, la impresión de las redes conductoras de plata con un espaciado entre líneas de centro a centro de 100 micras, modelado por una boquilla de 5 micras sobre un sustrato de oblea de silicio se demuestra (Video 3.5).
5. Además, este video se muestra cómo crear una estructura de relación de aspecto cilíndrico de alta por una boquilla de 30 micras utilizando un método de impresión capa a capa (Video 3.6).
6. Además, la impresión omnidireccional de microelectrodos de plata entre dos sustratos de cristal compensado por una altura de 1 mm de diferenc se demuestra mediante una boquilla de 30 micras (Video 3.7).
7. Totalmente independiente, vertical impresa microspikes de plata puede ser creada por una boquilla de 30 micras sobre un sustrato de la oblea de Si (Video 3.8).
8. Finalmente, este video muestra la escritura directa de un microelectrodo de plata que abarca el uso de una boquilla de 10 micras (Video 3.9). La función de impresión pueden abarcar distancias de hasta un centímetro con un mínimo de caída o el pandeo.

4. Los resultados representativos:

Hemos preparado una tinta de plata de alta concentración de nanopartículas y demostró las características conductoras impresas con motivos planas y 3D para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas con una resolución de impresión de ~ 2 a 30 micras. Por ejemplo, la figura 8 muestra la resolución de impresión de esta técnica. Características impresas con un ancho mínimo de electrodos de ~ 2 m (1,4 m de espesor) se obtienen en un solo paso utilizando una boquilla de 1 m ^11.

Figura 9 muestras transparentes las redes conductoras de plata, modelado por una boquilla de 5 micras en una película de poliamida flexible de ^12. Los textos impresos debajo de las rejillas son claramente visibles. Estas rejillas de plata transparente podría ser una alternativa atractiva para la realización de óxido transparente (TCO) de materiales.

Impresión de conformación a una sustratos no planos también se ha habilitado con este método. La figura 10 muestra la impresión de conformación de una antena en 3D eléctricamente pequeñas. Una boquilla de 100 micras de metal se utiliza para imprimir los patrones de línea serpenteante en la superficie de un vaso hemisferio ^13. Este enfoque puede encontrar varias aplicaciones, incluidas las antenas implantable y portátiles, dispositivos electrónicos y sensores.

Aplicaciones de micro-electrodos de plata de expansión en tres dimensiones la energía fotovoltaica y los diodos emisores de luz se muestran (Figura 11-14).

En primer lugar, la Figura 11 es un ejemplo de silicio cubierta esférica. Esta película tenue con una t de 2 micrashickness puede ser de alambre unido a un circuito externo mediante la impresión de omnidireccional ^14. Este método utiliza la presión de contacto mínimo, lo cual es muy ventajoso para dispositivos delicados.

A continuación, figura 12 muestra un ejemplo de la impresión de una interconexión de expansión de una serie de microcélulas solares de silicio en el que los elementos de silicio microribbon están separados por 33 m distancia ^15.

A continuación, figura 13 muestra las interconexiones de plata para el arseniuro de galio con sede matriz de LED de 4 por 4 píxeles, donde cada píxel (500 x 500 x 2,5 m ³⁾ está separada 200 micras aparte ^11. La imagen inferior muestra la matriz de LED, que emiten luz de color rojo uniforme bajo una polarización aplicada de 6 V de un solo píxel. La posibilidad de imprimir los electrodos que abarca permite la interconexión de múltiples capas sin el uso de capas de soporte o de sacrificios (imágenes superiores).

Como una demostración final, figura 14 muestra las imágenes SEM para el complejo de micro 3Dred roperiodic plata impreso por una boquilla de 5μm.

Figura 1. Óptico de la imagen de los aparatos de la escritura directa de tinta.

Figura 2. Escritura de tinta directa de una característica de filamento.

Figura 3. Escritura de tinta directa de auto-apoyo a las características de expansión.

Figura 4. Diseños de tinta para la escritura de tinta directa. Una amplia gama de tintas viscoelástico concentrados se han desarrollado para la escritura directa de las estructuras 3D de planos y complejos con las características de la microescala.

Figura 5. (Izquierda) microscopía electrónica de transmisión (TEM) la imagen de nanopartículas de plata. (Arriba a la derecha) SEM imágenes de microelectrodos patrón de plata con una boquilla de 15 micras en función de la temperatura de recocido. (Abajo a la derecha) la resistividad eléctrica de microelectrodos de plata en función de la temperatura de recocido y el tiempo.

Figura 6. Viscosidad aparente (η) de las tintas de nanopartículas de plata en función de la carga de sólidos.

Figura 7. Shear módulo elástico (G ') en función del esfuerzo de corte para las tintas de nanopartículas de plata de diferentes carga de sólidos.

Figura 8. SEM imágenes de matrices planas de microelectrodos de plata con dibujosen una oblea de silicio con una boquilla de 1-m.

Figura 9. Óptico de la imagen de las redes de plata conductora transparente (izquierda) y las imágenes SEM de las redes de impresión en función de la densidad de líneas (derecha).

Figura 10. Óptico de la imagen capturada durante la impresión de conformación de las antenas eléctricamente pequeñas sobre un sustrato de vidrio hemisférico.

Figura 11. Óptico de la imagen obtenida durante la impresión de que abarca microelectrodos de plata sobre una delgada (2-m) cáscara de silicio esférico.

Figura 12. Imagen de SEM de un microelectrodo de plata que abarca impresa en una de silicio paralar microcelular matriz.

Figura 13. SEM imágenes (arriba) y óptica de la imagen (abajo) de un 4-por-4 matriz de chips LED conectados entre sí por microelectrodos de plata.

Figura 14. Imagen SEM de la red 3D de plata microperiodic.

Convencionales gota enfoques basados ​​en la impresión, como la impresión de inyección de tinta, se limitan a la fabricación de electrodos plana con relación de aspecto baja debido a la naturaleza diluir y de baja viscosidad de las tintas utilizadas. Recientemente, el dip-pen nanolitografía (DPN) y ^20-22 e ^23-25 ​​por chorro de tinta se han utilizado a las funciones de patrón de conducción. Estas rutas también emplean tintas diluidas, de baja viscosidad. Pearton y compañeros de trabajo utilizados DPN para depositar una tinta de nanopartículas de plata comercialmente disponible en velocidades de escritura de hasta 1600 m ^s-1 anchos y una línea de aproximadamente 0,5 m ^22. Sin embargo, la fabricación de patrones reproducibles en grandes áreas aún no se ha demostrado por este método. Tintas de nanopartículas de plata también se han depositado mediante la impresión de e-jet para formar trazas conductoras con anchos de línea de ~ 1,5 m ^25. Sin embargo, como con la impresión de inyección de tinta, no homogénea las características impresas pueden surgir debido a la formación de gotas de satélite y no uniforme caída drying ^24,25.

Como se demostró anteriormente, escritura directa asamblea de nanopartículas de plata se concentró tintas supera estas limitaciones a través de un método de impresión basado en filamentos. Esta técnica permite la fabricación de micro-electrodos conductores con una alta relación de aspecto (H / W ≈ 1,0) en un único pase que permite la creación de 1D, 2D, 3D y arquitecturas. El tamaño de las características de impresión depende de diámetro de la boquilla, la carga de tinta sólidos, la presión aplicada, y la velocidad de impresión. Hasta la fecha, los rastros conductores tan pequeño como ~ 2 micras se han modelado con una boquilla de 1 m a una velocidad moderada (<2 mm s ^-1). Mediante la adaptación de la composición de la tinta y la geometría de la boquilla, la velocidad máxima de impresión de más de 10 cm s ^-1 son posibles. Sin embargo, la alta velocidad de impresión de la utilización de boquillas finas (<5 micras) sigue siendo un reto importante.

Para demostrar las aplicaciones de la escritura directa de la Asamblea, que fabrica redes de conducción, ELectrically antenas pequeñas, células solares y diodos emisores de luz con electrodos impresos plana y que abarca (Figura 8-14). En particular, nuestro enfoque no se limita a la creación de estructuras metálicas. El uso de diseños de tinta, como los basados ​​en la fibroína de seda, de hidrogel y fugitivo tintas orgánicas, hemos construido andamios 3D y redes microvasculares de la ingeniería de tejidos y cultivos celulares a través de escritura directa de montaje ^26-30.

Mirando hacia el futuro, hay muchas oportunidades y desafíos. Nuevos avances requieren nuevos diseños de tinta, un mejor modelado de la dinámica de flujo de tinta y mejora de los sistemas robóticos y de control. Gran área de fabricación de estructuras 1D a 3D con un alto rendimiento y resolución nanométrica (<100 nm) sigue siendo un reto importante.

No hay conflictos de interés declarado.

Este material está basado en trabajo apoyado por el Departamento de Energía de EE.UU., Ciencias de los Materiales e Ingeniería de la División (N º Premio DEFG-02-07ER46471) y el Departamento de Energía de Energía Centro de Investigación en Materiales Light-Interacciones en Conversión de Energía (Laudo No. DE-SC0001293 ), y se benefició de acceso al Centro de Microanálisis de Materiales en el Frederick Seitz Laboratorio de Investigación de Materiales (FSMRL).

1. Chrisey, D.B. The power of direct writing. Science. 289, 879-881 (2000).
2. Sirringhaus, H., et al. High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits. Science. 290, 2123-2126 (2000).
3. Kim, R.-W., et al. Waterproof AllnGaP optoelectronics on stretchable substrates with applications in biomedicine and robotics. Nat. Mater. 9, 929-937 (2010).
4. Lewis, J.A. & Gratson, G.M. Direct writing in three dimensions. Mater. Today. 7, 32-39 (2004).
5. Lewis, J.A. Direct ink writing of 3D functional materials. Adv. Funct. Mater. 16, 2193-2204 (2006).
6. 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).
7. 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).
8. 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).
9. 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).
10. 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).
11. Ahn, B.Y., et al. Omnidirectional printing of flexible, stretchable, and spanning silver microelectrodes. Science. 323, 1590-1593 (2009).
12. Ahn, B.Y., Lorang, D.J., & Lewis, J.A. Transparent conductive grids via direct writing of silver nanoparticle inks. Nanoscale 3, 2700-2702 (2011).
13. Adams, et al. Conformal printing of electrically small antennas on three-dimensional surfaces. Adv. Mater. 23, 1335-1340 (2011).
14. Guo, X., et al. Two- and three-dimensional folding of thin film single-crystalline silicon for photovoltaic power applications. PNAS. 106, 20149-20154 (2009).
15. Yoon, et al. Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs. Nat. Mater. 7, 907-915 (2008).
16. Gratson, G.M., Xu, M., & Lewis, J.A. Direct writing of three-dimensional webs. Nature. 428, 386 (2004).
17. 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).
18. 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).
19. Duoss, E.B., Twardowski, M., & Lewis, J.A. Sol-gel inks for direct-write assembly of functional oxides. Adv. Mater. 19, 3485-3489 (2007).
20. Salaita, K., Wang, Y.H., & Mirkin, C.A. Application of dip-pen nanotechnology. Nat. Nanotech. 2, 145-155 (2007).
21. 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).
22. Hung, S.-C., et al. Dip-pen nanolithography of conductive silver traces. J. Phys. Chem. C. 114, 9672-9677 (2010).
23. Park, J.-U., et al. High-resolution electrohydrodynamic jet printing. Nat. Mater. 6, 782-789 (2007).
24. Schirmer, N.C., et al. On ejecting colloids against capillarity from sub-micrometer openings: On-demand dielectrophoretic nanoprinting. Adv. Mater. 22, 4701-4705 (2010).
25. Park, J.-U., et al. Nanoscale, electrofield liquid jets for high-resolution printing of charge. Nano. Lett. 10, 584-591 (2010).
26. Ghosh, S., et al. Direct-write assembly of micro-periodic silk fibroin scaffolds for tissue engineering applications. Adv. Funct. Mater. 18, 1883-1889 (2008).
27. Barry III, R.A., et al. Direct-write assembly of 3D hydrogel scaffolds for guided cell growth, Adv. Mater. 21, 2407-2410 (2009).
28. Shepherd, J.N.H., et al. 3D microperiodic hydrogel scaffolds for robust neuronal cultures. Adv. Mater. 21, 47-54 (2011).
29. Wu, W., et al., Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport. Soft. Matter. 6, 739-742 (2010).
30. Wu, W., DeConinck., A., & Lewis, J.A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Adv. Mater. 23, H178-H183 (2011).

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