Name: Impression Planar et en trois dimensions des encres conductrices (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-12-09T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Découvrez l'impression planaire et 3D de microélectrodes conductrices par assemblage direct. Cette technique permet de fabriquer des dispositifs électroniques et biomédicaux complexes avec des encres à nanoparticules d'argent.

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Ce matériau est basé sur le travail soutenu par le Département américain de l&#39;Énergie, des Sciences et Génie des Matériaux Division (n ° Prix DEFG-02-07ER46471) et le DOE Energy Research Center sur la lumière-Matériaux Interactions en conversion d&#39;énergie (Prix n ° DE-SC0001293 ), et a bénéficié de l&#39;accès au Centre de microanalyse des matériaux dans le Frederick Seitz Matériaux Laboratoire de recherche (FSMRL).

1. Présentation <ol><li> Ce document démontre les codes 1D, 2D, 3D et l'impression de microélectrodes via conducteur écriture directe assemblage. </li><li> Direct-écriture de l'Assemblée est une méthode de construction de 1D à 3D des structures imprimées par le dépôt d'encres concentrées à travers des buses fines. </li><li> Notre système se compose d'un ordinateur contrôlé par platine de translation 3 axes, un réservoir d'encre et de la buse, et 10x lentille télescopique pour l'imagerie (figure 1). </li><li> Direct-écriture de l'Assemblée est une approche dans laquelle l'impression filamenteux encres concentrées sont extrudés à travers des buses cylindriques dont les diamètres vont de 0,1 à 250 mm (figure 2). Notamment, en raison des caractéristiques viscoélastiques d'encre, écriture directe permet l'assemblage autoportant caractéristiques couvrant (figure 3). À ce jour, une large gamme d'encres, y compris celles qui sont composées de céramique 6,7, 8-10 organiques, métalliques 11-15, polymériques 16,17, et sol-gel 18,19 matériaux ont étédéveloppées pour l'impression de cette approche (figure 4). </li></ol> 2. Préparation des encres très concentrées de nanoparticules d'argent <ol><li> Encres de nanoparticules d'argent sont préparés en dissolvant d'abord un mélange de 5000 et de 50 000 poids moléculaire (acide acrylique) poly dans un mélange de 50 g d'eau et 40 g de diéthanolamine (vidéo 2.1). </li><li> Le polymère agit comme un agent de coiffage pour contrôler la taille des nanoparticules d'argent. </li><li> Ensuite, une solution aqueuse de nitrate d'argent est injecté dans la solution de polymère. Après l'addition, une lumière solution jaune transparente est obtenue (vidéo 2.2). </li><li> Après agitation pendant 24 heures à température ambiante, la solution développe une couleur rouge-brun (vidéo 2.3), qui coïncide avec la formation de nanoparticules d'argent de 5 nm de diamètre, tel que déterminé par microscopie électronique à transmission. </li><li> Ensuite, la solution est soniquée à 65 ° C dans un bain d'eau pendant 2 heures pour la croissance des particules supplémentaires (vidéo 2.4). </li><li> After sonication, la solution est transférée dans un bécher de 500 ml et refroidi à température ambiante. Puis, 300 ml d'éthanol est titrée à un taux de 30 ml / min. Depuis l'éthanol est un mauvais solvant pour le poly (acide acrylique) agent de coiffage, les particules coagulent rapidement et précipiter de la solution (vidéo 2.5). </li><li> Après décantation du surnageant, le précipité est recueilli dans un tube de centrifugeuse et centrifugés à 9000 rpm pendant 20 minutes (vidéo 2.6). </li><li> Après cette étape, une encre argentée très concentrées de nanoparticules solides avec un chargement de ~ 85% en poids est obtenue (Vidéo 2,7). </li><li> Un contrôle supplémentaire sur la viscosité de l'encre et le module d'élasticité peut être obtenue par dilution, suivie d'une homogénéisation. Pour un exemple, une solution humectant tel que l'éthylène glycol, peuvent être ajoutées à l'encre et ensuite homogénéisé à 2000 rpm pendant 3 minutes en utilisant un mélangeur homogénéisation Thinky. Après ce processus, une encre uniforme d'un bleu à la couleur magenta est obtenue (Vidéo 2,8). </li><li> L'image TEM montrenanoparticules d'argent obtenue par ce procédé de synthèse (figure 5_left). Les particules ont un diamètre moyen de 20 nm avec une distribution de taille de 5-50 nm. Imprimé structures nécessitent post-recuit pour améliorer leur conductivité. Après recuit à 250 ° C pendant au moins 30 min, les nanoparticules d'argent sous forme de microélectrodes conductrice avec une résistivité électrique s'approche à 10 -5 Ω • cm (figure 5_bottom droite). L'évolution de la microstructure de l'argent microélectrodes imprimés en fonction de la température de recuit est montré dans la figure 5_top droite. Comme la température augmente de 150 ° à 550 ° C, les microélectrodes subissent une densification avec un retrait volumique total de ~ 30% 11. </li><li> La rhéologie d'encre, qui dépend fortement de son chargement solides, détermine son imprimabilité. Les augmentations de viscosité de l'encre avec un chargement de solides augmente (figure 6). Parce que diluer les encres à faible viscosité avec un résultat dans une importante propagation latérale, concentrencres ATED avec un chargement solides allant de 70 à 85% sont nécessaires pour l'impression de filaments d'encre planaire et couvrant. </li><li> L'encre module élastique augmente avec chargement des solides augmente (figure 7). Dans la région viscoélastique linéaire, le module d'élasticité s'élève à près de trois ordres de grandeur que la charge augmente solides 60 à 75% en poids. Un module minimum élastique de 2000 Pa est nécessaire pour produire l'auto-soutien ou enjambant fonctionnalités. </li></ol> 3. Direct-écriture de l'Assemblée <ol><li> Direct-écriture de montage est effectué par du premier chargement de l'encre dans une seringue. Après avoir attaché une buse dépôt, l'encre-chargé seringue est monté sur la scène d'impression 3-axes (vidéo 3.1). </li><li> En utilisant un programme informatique, dessins arbitraires, y compris linéaire, planaire, et complexe en trois dimensions des structures peuvent être facilement générés (vidéo 3.2). </li><li> Ensuite, la hauteur est ajustée buse à l'aide de lentilles de télescope avec un zoom 10x (vidéo 3.3). </li> Après l'application de la pression en utilisant un avion alimenté par du fluide du système de distribution, l'encre est déposée sur le substrat avec une vitesse d'impression contrôlée (vidéo 3.4). La pression requise dépend de la rhéologie d'encre, diamètre de la buse, et la vitesse d'impression, mais les valeurs typiques vont de 10 à 100 psi à 20 à 500 um / s. Cette impression est effectuée dans l'air à température ambiante. L'utilisation de ce procédé d'impression, l'impression des microélectrodes d'argent dans différents modèles et échelles de taille est démontrée. <li> Pour un exemple, l'impression des grilles argent conductrice avec un interligne de centre à centre de 100 pm, modelée par une buse de 5 um sur un substrat plaquette de silicium est démontré (vidéo 3.5). </li><li> De plus, cette vidéo montre comment créer une structure aspect ratio élevé cylindrique par une buse de 30 um en utilisant une méthode d'impression couche par couche (vidéo 3.6). </li><li> Par ailleurs, l'impression omnidirectionnelle des microélectrodes d'argent entre deux substrats de verre compensée par une hauteur de 1 mm différences est démontrée en utilisant une buse de 30 um (vidéo 3.7). </li><li> Complètement autonome, microspikes d'argent à la verticale imprimée peut être créé par une buse de 30 um sur un substrat silicium plaquette (Vidéo 3,8). </li><li> Enfin, cette vidéo montre l'écriture directe d'une microélectrode d'argent couvrant l'aide d'une buse de 10 um (Vidéo 3,9). La fonction imprimée peut s'étendre sur des distances allant jusqu'à un centimètre avec un minimum d'affaissement ou de flambage. </li></ol> 4. Les résultats représentatifs: Nous avons préparé un encres hautement concentré de nanoparticules d'argent et a démontré des caractéristiques conductrices imprimées de motifs planaires et 3D pour des applications électroniques et optoélectroniques avec une résolution d'impression ~ 2 - 30 um. Pour un exemple, la figure 8 montre la résolution d'impression de cette technique. Imprimé avec des fonctionnalités largeur d'électrode minimum de ~ 2 um (1,4 um d'épaisseur) sont obtenues en une seule passe en utilisant une buse de 1 um 11. Figure 9 montrents transparente grilles argent conductrice, modelée par une buse 5 um sur un film polyimide souple 12. Les textes sous les grilles imprimées sont clairement visibles. Ces grilles d'argent transparente pourraient constituer des alternatives attrayantes pour l'oxyde conducteur transparent (TCO) des matériaux. Impression conforme sur un substrat non-planaire est également activée par cette méthode. La figure 10 montre l'impression conformationnelle 3D d'une antenne électriquement petite. Une buse 100 um métal est utilisé pour imprimer des méandres en ligne des motifs sur la surface d'un verre hémisphère 13. Cette approche peut trouver plusieurs applications y compris les antennes implantables et portables, l'électronique et les capteurs. Les demandes de microélectrodes d'argent couvrant en trois dimensions photovoltaïque et les diodes électroluminescentes sont démontrées (Figure 11-14). Premièrement, la figure 11 est un exemple de silicium sphériques coquille. Ce film ténu avec un t 2-umPAISSEUR peut être fil lié à un circuit externe par l'impression omnidirectionnel 14. Cette méthode utilise la pression de contact minimale, qui est très avantageux pour les appareils délicats. Ensuite, la Figure 12 montre un exemple d'impression d'une interconnexion couvrant une gamme de silicium solaire dans laquelle Microcell éléments silicium microruban sont séparés par 33 um écart de 15. Ensuite, la Figure 13 montre en argent pour les interconnexions arséniure de gallium à base large LED avec 4-en-4 pixels, où chaque pixel (500 x 500 x 2,5 um 3) est espacé 200 um en dehors 11. L'image du bas affiche le tableau de LED, émettant une lumière rouge uniforme, sous une tension appliquée de 6 V à partir d'un seul pixel. La possibilité d'imprimer des électrodes couvrant permet l'interconnexion multicouches sans l'utilisation de couches de support ou sacrificiels (images du haut). Comme une démonstration finale, la figure 14 montre des images SEM pour le micro 3D complexestreillis d'argent roperiodic imprimé par une buse 5 um. <img alt="Configuration de microscopie optique, platine de mouvement 3 axes, alimentation en air pour l’analyse précise des matériaux." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 1"> Figure 1. Image optique de l'appareil de l'encre d'écriture directe. <img alt="schéma du processus d’impression 3D ; Filament d’extrusion de buse pour l’analyse de fabrication en couches." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 2"> Figure 2. Écrit d'encre directe d'une caractéristique filamenteux. <img alt="Schéma du processus d’impression 3D avec buse, caractéristiques de couverture, air, encre, indiquant la fabrication additive." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 3"> Figure 3. Écrit d'encre directe de l'auto-support fonctionnalités couvrant. <img alt="Encres céramiques, organiques, métalliques, polymères, sol-gel ; comparaison de la taille des caractéristiques ; microscopie, impression 3D." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 4"> Figure 4. Conceptions d'encre pour l'écriture d'encre directe. Une large gamme d'encres viscoélastique concentrés ont été développés pour l'écriture directe de structures planaires et complexes en 3D avec des fonctions micro-échelle. <img alt="Microstructure des nanoparticules MET, graphique d’impact du recuit, résistivité en fonction du temps, analyse thermique." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 5"> Figure 5. (Gauche) par microscopie électronique à transmission (MET) l'image de nanoparticules d'argent. (En haut à droite) SEM images de microélectrodes d'argent à motifs avec une buse de 15 um en fonction de la température de recuit. (En bas à droite) Résistivité électrique de microélectrodes d'argent en fonction de la température de recuit et de temps. <img alt="Graphique de la viscosité de l’encre en fonction de la teneur en argent montrant les paramètres d’impression 3D et l’étalement latéral." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> Figure 6. Viscosité apparente (η) des encres de nanoparticules d'argent comme une fonction de chargement des solides. <img alt="Graphique du module d’élasticité en fonction de la contrainte de cisaillement ; analyse du % en poids du matériau ; Etude des propriétés rhéologiques." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> Figure 7. Shear module élastique (G ') en fonction de la contrainte de cisaillement pour les encres de différentes nanoparticules d'argent de chargement solides. <img alt="Image MEB du motif de réseau à l’échelle nanométrique ; Morphologie de surface, analyse des matériaux, barre d’échelle de 50 μm." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> Figure 8. Images MEB de tableaux de microélectrodes planaire d'argent à motifssur une plaquette de silicium avec une buse de 1-um. <img alt="Circuit électronique flexible, image de microscopie, échelle de grille montrant la microstructure, échelles de 3 mm et 400 m." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> Figure 9. Optique d'image de la transparence des grilles d'argent conducteur (à gauche) et images MEB des grilles imprimées en fonction de la hauteur de ligne (droite). <img alt="procédé d’impression 3D ; schéma de la buse avec des méandres argentés imprimés ; Dépôt d’encre conductrice. " src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 10"> Figure 10. Optique d'image capturée pendant l'impression d'antennes conforme électriquement petites sur un substrat de verre hémisphérique. <img alt="Microélectrode Ag couvrant avec buse dans une configuration de nanofabrication ; image microscopique ; Echelle 100μm." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 11"> Figure 11. Optique d'image obtenue lors de l'impression des microélectrodes couvrant d'argent sur ​​un mince (2-um) de silicium coquille sphérique. <img alt="Schéma MEB de microcellules solaires Si avec microélectrode Ag couvrante, échelle 25 μm." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 12"> Figure 12. Image MEB d'une micro-électrode d'argent couvrant imprimées sur un substrat de silicium afinarray Microcell LAR. <img alt="Émission de micro-LED, interconnexions de microélectrodes d’argent ; excitation optique, image microscopique." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 13"> Figure 13. Images MEB (en haut) et d'image optique (en bas) d'un 4-en-4 puce à LED interconnectés par microélectrodes argent. <img alt="Micrographie MEB de la structure en micro-treillis imprimée en 3D ; L’encart agrandi montre la disposition détaillée des fibres." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 14"> Figure 14. Image MEB de treillis 3D d'argent microperiodic.

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<li>Barry, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct-write+assembly+of+3D+hydrogel+scaffolds+for+guided+cell+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Direct-write assembly of 3D hydrogel scaffolds for guided cell growth.</a> Adv. Mater. 21, 2407-2410 (2009).</li>
<li>Shepherd, J. N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+microperiodic+hydrogel+scaffolds+for+robust+neuronal+cultures%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">3D microperiodic hydrogel scaffolds for robust neuronal cultures.</a> Adv. Mater. 21, 47-54 (2011).</li>
<li>Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct-write+assembly+of+biomimetic+microvascular+networks+for+efficient+fluid+transport%5BTitle%5D)+AND+%22Soft.+Matter%22%5BJournal%5D)">Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport.</a> Soft. Matter. 6, 739-742 (2010).</li>
<li>Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Omnidirectional+Printing+of+3D+Microvascular+Networks%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks.</a> Adv. Mater. 23, H178-H183 (2011).</li>
</ol>

Pas de conflits d&#39;intérêt déclarés.

Approches conventionnelles d&#39;impression à base de gouttelettes, tels que l&#39;impression jet d&#39;encre, sont limitées à la fabrication d&#39;électrodes planaires à faible rapport d&#39;aspect en raison de la nature diluer et à faible viscosité des encres utilisées. Récemment, la nanolithographie dip-pen (DPN) 20-22 et e-impression à jet d&#39;23-25 ​​ont été utilisés à des fonctionnalités motif conducteur. Ces routes aussi employer diluées, les encres à faible viscosité. Pearton et co-travailleurs ont utilisé DPN pour déposer une encre argent disponible dans le commerce des nanoparticules à des vitesses d&#39;écriture allant jusqu&#39;à 1600 um largeurs s -1 et une ligne d&#39;environ 0,5 um 22. Toutefois, fabrication de modèles reproductibles sur de grandes surfaces n&#39;a pas encore été démontrée par cette approche. Encres de nanoparticules d&#39;argent ont également été déposés par e-impression à jet pour former des traces conductrices avec des largeurs de ligne de ~ 1,5 um 25. Cependant, comme avec l&#39;impression jet d&#39;encre, inhomogène caractéristiques imprimées peuvent survenir en raison de la formation de gouttes satellites et non uniforme Drop Drying 24,25. Comme démontré ci-dessus, écriture directe assemblage de nanoparticules d&#39;argent concentrée encres surmonte ces limitations par une approche basée sur l&#39;impression filamenteux. Cette technique permet la fabrication de microélectrodes conducteur avec un aspect ratio élevé (h / w ≈ 1,0) en un seul passage permettant la création de codes 1D, 2D, 3D et des architectures. La taille des caractéristiques imprimées dépend de diamètre de la buse, l&#39;encre solide de chargement, la pression appliquée et la vitesse d&#39;impression. À ce jour, des traces conductrices aussi petit que ~ 2 um ont été modelée en utilisant une buse de 1 um à une vitesse modérée (&lt;2 mm s -1). En adaptant la composition d&#39;encre et de géométrie de la tuyère, des vitesses d&#39;impression maximales supérieures à 10 cm -1 s sont possibles. Toutefois, l&#39;impression haute vitesse de l&#39;utilisation de buses fines (&lt;5 um) reste un défi important. Pour démontrer les applications de montage écriture directe, nous avons fabriqué des grilles conductrices, elantennes ectrically petites cellules solaires, et des diodes électroluminescentes avec des surfaces planes et couvrant les électrodes imprimées (figure 8-14). Notamment, notre approche n&#39;est pas limitée à la création de structures métalliques. L&#39;utilisation d&#39;encre conçoit d&#39;autres, telles que celles basées sur la fibroïne de soie, d&#39;hydrogel et fugitives des encres organiques, nous avons construit des échafaudages 3D et des réseaux microvasculaires pour l&#39;ingénierie tissulaire et de culture cellulaire par écriture directe Assemblée 26-30. En regardant vers l&#39;avenir, il ya de nombreuses opportunités et de défis. D&#39;autres avancées exigent une conception nouvelle encre, une meilleure modélisation de la dynamique des flux de l&#39;encre, et le renforcement des systèmes robotisés et de contrôle. Grande surface de fabrication de structures 1D à 3D avec un débit élevé et résolution nanométrique (&lt;100 nm) demeure un défi important.

<table border="1"><tr><td> Nom du réactif </td><td> Société </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Poly (acide acrylique) </td><td> Polysciences, Inc </td><td> 06519 </td><td> MW 5000 g / mol </td></tr><tr><td> Poly (acide acrylique) </td><td> Polysciences, Inc </td><td> 00627 </td><td> MW 50.000 g / mol </td></tr><tr><td> Le nitrate d&#39;argent </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 209139 </td><td> Source d&#39;Argent </td></tr><tr><td> Diéthanolamine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> D8885 </td><td> Solvant / agent réducteur </td></tr><tr><td> L&#39;éthylène glycol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 102466 </td><td> Humectant </td></tr><tr><td> Sonicater </td><td> Fisher Scientific </td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td> Centrifugeuse </td><td> Beckman Coulter </td><td> Avanti TM J-25, je </td><td> - </td></tr><tr><td> Stade de robotique </td><td> Aerotech Inc </td><td> ABL 900010 </td><td> 3-axe de mouvement </td></tr><tr><td>Seringue </td><td> EFD Inc </td><td> 5109LBP-B </td><td> 3 ml </td></tr><tr><td> Buse </td><td> EFD Inc </td><td> - </td><td> id = 0,1 à 250 um </td></tr><tr><td> Distributeur </td><td> EFD Inc </td><td> 800 </td><td> Air-alimentés </td></tr><tr><td> Le logiciel de conception </td><td> Spécialement conçu </td><td> - </td><td> Mingjie Xu </td></tr></table>

impression planar et en trois dimensions des encres conductrices

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

L&#39;électronique imprimée fier à faible coût, les voies de fabrication de grande surface pour créer des flexibles ou multidimensionnelles électroniques, optoélectroniques et de dispositifs biomédicaux 1-3. Dans ce papier, nous nous concentrons sur une seule (1D), deux (2D), et en trois dimensions (3D) d&#39;impression des encres métalliques conductrices sous la forme de micro-électrodes souples, extensibles, et couvrant. Direct-écriture de montage 4,5 est une technique d&#39;impression de 1 à 3D qui permet la fabrication de fonctionnalités allant de simples lignes de structures complexes par le dépôt d&#39;encres concentrées à travers des buses fines (~ 0,1 à 250 um). Cette méthode d&#39;impression se compose d&#39;une étape contrôlée par ordinateur de traduction à 3 axes, un réservoir d&#39;encre et de la buse, et 10x lentille télescopique pour la visualisation. Contrairement à l&#39;impression jet d&#39;encre, un procédé à base de gouttelettes, écriture directe implique l&#39;assemblage de l&#39;extrusion de filaments d&#39;encre soit dans ou hors du plan. Les filaments imprimés généralement conformes à la taille de la buse. Hence, les caractéristiques micro (&lt;1 micron) peut être modelé et assemblés en plus des tableaux multidimensionnels et les architectures. Dans ce papier, nous avons d&#39;abord synthétiser une encre argentée très concentrées de nanoparticules pour l&#39;impression planaires et 3D VIA écriture directe assemblage. Ensuite, un protocole standard pour l&#39;impression de microélectrodes en motifs multidimensionnelle est démontrée. Enfin, les applications de microélectrodes imprimés pour les antennes électriquement petites, les cellules solaires, et les diodes électroluminescentes sont en surbrillance.

Impression Planar et en trois dimensions du conducteur encres métalliques est décrite. Notre approche offre de nouvelles avenues pour la fabrication d&#39;imprimés électroniques, optoélectroniques et appareils biomédicaux dans les présentations inhabituelles à l&#39;échelle microscopique.

Impression Planar et en trois dimensions des encres conductrices

L'électronique imprimée repose sur des méthodes de fabrication à bas coût et sur de grandes surfaces pour créer des dispositifs électroniques, optoélectroniques et biomédicaux flexibles ou multidimensionnels...

L'objectif de cette expérience est de démontrer l'impression planaire et tridimensionnelle d'électrodes microscopiques conductrices par assemblage direct en temps réel. L'assemblage direct en temps réel est une technique de dépôt composée d'une plateforme de translation informatisée à trois axes, d'une encre, d'une buse et d'une alimentation en air. Dans cette méthode d'impression, des encres fortement concentrées sont extrudées à travers une buse cylindrique fine dont les diamètres varient de 0,1 à 250 microns en raison des caractéristiques viscoélastiques de l'encre.L'assemblage direct en couches successives permet la création de structures autoportantes. À ce jour, une grande variété d'encres, y compris celles composées de matériaux céramiques, de polymères métalliques organiques et de gel solide, ont été développées pour cette méthode d'impression. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes, comme l'assemblage direct de structures complexes à libération contrôlée, est sa rapidité d'exécution. Bien que cette méthode offre des perspectives prometteuses pour les encres conductrices dans les applications électroniques et optoélectroniques, elle peut également être appliquée à d'autres systèmes de matériaux utilisables pour des échafaudages biomédicaux et des capteurs.La visualisation de cette procédure est essentielle, car l'expertise en radiologie et en impression à l'encre influence fortement la qualité des structures imprimées. Cette procédure est réalisée par Bhan, un postdoctorant, et Annalisa Russo, une étudiante au doctorat de mon laboratoire. Les encres de nanoparticules d'argent sont préparées en dissolvant d'abord un mélange d'acide acrylique de poids moléculaire 5 000 et 50 000 dans un mélange d'eau et de diéthanolamine. Le polymère agit comme agent de capage pour contrôler la taille des nanoparticules d'argent. Ensuite, injectez une solution aqueuse de nitrate d'argent dans la solution polymère.Le mélange deviendra transparent et de couleur jaune clair ; poursuivre l'agitation pendant 24 heures à température ambiante. Après agitation, la solution prend une couleur brun rougeâtre. Ceci est dû à la formation de nanoparticules d'argent de cinq nanomètres de diamètre, ce qui peut être confirmé par microscopie électronique en transmission (TEM), afin d'observer la croissance ultérieure des particules.Soniquez la solution dans un bain-marie à 65 degrés Celsius pendant deux heures, puis transférez la solution dans un bécher de 500 millilitres pour la laisser revenir à température ambiante. Une fois à température ambiante, ajoutez par titrage 300 millilitres d'éthanol à la solution. Étant donné que l'éthanol est un solvant peu adapté aux agents de capage, les particules coagulent rapidement et précipitent. Versez alors délicatement le surnageant et récupérez le précipité dans un tube de centrifugation. Centrifugez le précipité à 9 000 tr/min pendant 20 minutes.Le résultat sera une encre hautement concentrée de nanoparticules d'argent contenant environ 85 % de solides en poids. Pour un contrôle supplémentaire de la viscosité de l'encre et de son module d'élasticité, diluez l'encre dans une solution humidifiante telle que le glycol éthylène, puis homogénéisez la solution à 2000 tr/min pendant trois minutes à l'aide d'un mélangeur homogénéisateur de type Thinky. Ce processus de dilution et d'homogénéisation produit une encre uniforme allant du bleu au magenta.L'image de ME montre des nanoparticules d'argent obtenues par ce protocole de synthèse. Les particules ont un diamètre moyen de 20 nanomètres avec une distribution de taille comprise entre cinq et 15 nanomètres. Les structures imprimées nécessitent un genouillage sur affiche pour améliorer leur conductivité.Après un traitement thermique à 250 degrés Celsius pendant moins de 30 minutes, les nanoparticules d'argent forment des microélectrodes conductrices dont la résistivité électrique approche 10 à la puissance moins cinq ohm-centimètres. L'évolution microstructurale des microélectrodes d'argent imprimées en fonction de la température de traitement thermique est mesurée par MEB. Lorsque la température augmente de 150 à 550 degrés Celsius, les microélectrodes subissent une densification accompagnée d'une rétraction volumique totale d'environ 30 %. La rhéologie de l'encre, qui dépend fortement de sa charge en solide, détermine sa capacité d'impression.La viscosité de l'encre augmente avec la teneur croissante en solides, car la dilution avec un liquide de faible viscosité entraîne une importante propagation latérale des encres concentrées. Des teneurs en solides comprises entre 70 et 85 % en poids sont nécessaires pour l'impression de filaments d'encre plans et en saillie. Le module d'élasticité de l'encre augmente avec la teneur croissante en solides dans la région viscoélastique linéaire.Le module d'élasticité augmente d'environ trois ordres de grandeur lorsque la teneur en solides passe de 60 à 75 pour cent en poids. Un module d'élasticité minimal de 2000 pascals est requis pour produire des structures autoportantes ou en saillie.Pour commencer l'assemblage direct vers la droite, charger l'encre dans un corps de seringue. Après avoir fixé un dépôt, monter le corps de seringue chargé d'encre sur la buse de la plateforme d'impression à trois axes. Utiliser un programme informatique pour générer le motif souhaité, qui peut être une structure linéaire plane ou tridimensionnelle complexe.Ensuite, la hauteur de la buse est ajustée à l'aide d'une lentille télescopique avec un zoom de 10 fois. Après avoir appliqué une pression à l’aide d’un système de distribution de liquide pneumatique, déposez l’encre sur le substrat à température ambiante en utilisant une impression contrôlée en vitesse et en pression. Ces variables dépendent de l’encre, de la radiologie, de la buse, du diamètre et de la vitesse d’impression.Une buse de cinq microns peut imprimer des grilles argentées conductrices avec un espacement entre lignes centre à centre de 100 microns sur un substrat de tranche de silicium. L'utilisation d'une buse de 30 microns et d'une impression couche par couche permet de réaliser une structure cylindrique de grand rapport d'aspect. Une impression omnidirectionnelle d'électrodes microscopiques en argent entre deux substrats en verre est possible à l'aide d'une buse de 30 microns.Les substrats en verre sont décalés d'un millimètre ; des micro-pointes d'argent imprimées verticalement, entièrement libres, peuvent être créées à l'aide d'une buse de 30 microns sur un substrat de tranche de silicium. L'écriture directe d'électrodes microscopiques d'argent en saillie à l'aide d'une buse de 10 microns est également possible. La structure imprimée peut enjamber des distances allant jusqu'à un centimètre avec un affaissement ou un flambage minimal.Une encre hautement concentrée de nanoparticules d'argent a été imprimée sous forme de motifs conducteurs en motifs plans et tridimensionnels pour des applications électroniques et optoélectroniques. La résolution d'impression était comprise entre deux et 30 micromètres. Une largeur minimale d'électrode d'environ deux micromètres et une épaisseur de 1,4 micromètre ont été obtenues en un seul passage à l'aide d'une buse d'un micromètre et d'un motif de buse de cinq micromètres.Grilles argentées conductrices transparentes sur un film de polyamide flexible. Le texte sous la grille est resté clairement visible. Ces grilles métalliques peuvent servir d'alternatives à haute conductivité aux matériaux d'oxydes conducteurs transparents.L'impression conforme d'une antenne électriquement petite en 3D a été rendue possible grâce à un serpentin métallique de buse de 100 microns. Des motifs en lignes ont été imprimés à la surface d'un hémisphère en verre. Cette approche pourrait trouver plusieurs applications, notamment des antennes implantables et portables, des dispositifs électroniques et des capteurs ; des applications impliquant des microélectrodes argentées s'étendant sur des cellules photovoltaïques tridimensionnelles et des diodes électroluminescentes sont également envisageables.Une coquille sphérique de silicium ténue d'une épaisseur de deux microns a été soudée par fils et reliée à un circuit externe grâce à une impression omnidirectionnelle. Cette méthode utilise une pression de contact minimale, ce qui est hautement avantageux pour les dispositifs délicats. Une interconnexion étendue a également été imprimée pour un réseau de microcellules solaires en silicium, dans lequel les éléments en ruban microscopique de silicium sont séparés par un intervalle de 33 microns.Des interconnexions en argent pour un réseau de LED à base d'arséniure de gallium, composé de quatre par quatre pixels, ont été imprimées. Le réseau de LED a émis une lumière rouge uniforme sous une tension appliquée de six volts à partir d'un seul pixel. La possibilité d'imprimer des électrodes s'étendant sur plusieurs éléments a permis une interconnexion multicouche sans l'utilisation de couches de support ou sacrificielles.Comme démonstration finale, un réseau micro-périodique complexe en argent 3D est imprimé à l’aide d’une buse de cinq microns selon une séquence d’impression couche par couche. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quelques heures si elle est correctement exécutée. Grâce à cette procédure, nous avons démontré la synthèse d’encre et l’impression de structures allant de 1D à 3D, ainsi que des applications comprenant des électrodes imprimées pour des dispositifs électroniques et optoélectroniques.Les travaux en cours dans notre laboratoire visent désormais à étendre cette approche à des applications biomédicales en utilisant des encres biocompatibles. Nous imprimons des échafaudages tridimensionnels et des réseaux microvasculaires pour l'ingénierie tissulaire et la culture cellulaire. Après avoir visionné cette vidéo, nous espérons que vous avez une meilleure compréhension de notre technique d'assemblage direct par écriture.

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