הדפסה מישוריים תלת ממדי של דיו מתכתי מוליך מתואר. הגישה שלנו מספק אפיקים חדשים אלקטרוניים מודפסים בודה, אופטו, והתקנים ביו פריסות יוצא דופן בבית microscale.
הדפסה מישוריים תלת ממדי של דיו מתכתי מוליך מתואר. הגישה שלנו מספק אפיקים חדשים אלקטרוניים מודפסים בודה, אופטו, והתקנים ביו פריסות יוצא דופן בבית microscale.
אלקטרוניקה מודפסים להסתמך על עלות נמוכה, שטח גדול נתיבי ייצור ליצור אלקטרוניים גמישים או רב ממדית, אופטו, והתקנים ביו 1-3. במאמר זה, נתמקד אחד (1D), שני (2D), והוא תלת מימדי (3D) הדפסת דיו מתכתי מוליך בצורה של microelectrodes גמישה, stretchable ו פורש.
ישיר לכתוב הרכבה 4,5 היא טכניקה 1-to-3D הדפסה המאפשרת ייצור של תכונות הנעות בין קווים פשוטים כדי מבנים מורכבים על ידי בתצהיר של דיו מרוכז דרך חרירי בסדר (~ 0.1-250 מיקרומטר). זו שיטת ההדפסה מורכב בשלב 3-ציר מבוקרת מחשב התרגום, מאגר דיו זרבובית, עדשה טלסקופית 10x להדמיה. בניגוד דיו להדפסה, תהליך רביב מבוססת, ישיר לכתוב הרכבה כרוך שחול של סיבים דיו או בתוך או מחוץ למטוס. חוטים מודפס בדרך כלל להתאים את גודל נחיר. Hencדואר, תכונות microscale (<1 מיקרומטר) יכול להיות בדוגמת ו התאספו לתוך מערכים גדולים ארכיטקטורות רב ממדית.
במאמר זה, אנחנו הראשונים לסנתז nanoparticle מרוכז מאוד כסף דיו להדפסה מישוריים ו 3D באמצעות הרכבה ישיר לכתוב. בשלב הבא, פרוטוקול סטנדרטי עבור microelectrodes הדפסה מוטיבים ממדי מודגם. לבסוף, יישומים של microelectrodes מודפס עבור אנטנות קטנות חשמלית, תאים סולריים, וגם דיודות פולטות אור מודגשים.
1. הקדמה
2. הכנת דיו nanoparticle מרוכז מאוד כסף
3. ישיר לכתוב הרכבה
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.
קונבנציונלי אגל מבוססי גישות הדפסה, כגון הדפסה הזרקת דיו, מוגבלים ייצור של אלקטרודות מישוריים עם יחס נמוך בשל אופי לדלל ואת צמיגות נמוכה של דיו בשימוש. לאחרונה, לטבול עט nanolithography (DPN) 20-22 ו-e-סילון הדפסה 23-25 שימשו תכונות דפוס מוליך. מסלולים אלה גם להעסיק לדלל, דיו צמיגות נמוכה. Pearton ועמיתים לעבודה השתמשו DPN להפקיד nanoparticle זמינים מסחרית דיו כסף על לכתוב במהירויות של עד 1600 רוחבי -1 קו של מיקרומטר של כ 0.5 מיקרומטר 22. עם זאת, ייצור של תבניות לשחזור פני שטחים גדולים טרם שמפגינים גישה זו. Nanoparticle צבעי כסף יש גם הופקדו על ידי הדפסת דואר סילון כדי ליצור עקבות מוליך עם רוחב קו של 1.5 מיקרומטר ~ 25. עם זאת, כמו דיו להדפסה, מודפס תכונות הומוגניות שעלולות להתעורר עקב היווצרות טיפת לווין לא אחידה ירידה דrying 24,25.
כפי שהודגם לעיל, ישיר לכתוב הרכבה של דיו nanoparticle מרוכז כסף מתגבר על מגבלות אלה באמצעות גישה filamentary מבוססי דפוס. טכניקה זו מאפשרת ייצור של מוליכים microelectrodes עם היבט ratios גבוהה (H / W ≈ 1.0) ב יחיד עובר המאפשר יצירה של 1D, 2D, 3D ו - ארכיטקטורות. גודלו של התכונות מודפס תלוי בקוטר זרבובית, מוצקים טעינת דיו, הלחץ המופעל, ומהירות ההדפסה. עד כה, עקבות מוליך קטן כמו ~ 2 מיקרומטר כבר בדוגמת באמצעות זרבובית 1 מיקרומטר במהירויות צנוע (<2 s -1 מ"מ). על ידי התאמת הרכב דיו וגיאומטריה זרבובית, מהירויות הדפסה מקסימלית העולה על 10 ס"מ -1 s אפשריים. עם זאת, הדפסה במהירות גבוהה של שימוש חרירי קנס (<5 מיקרומטר) עדיין מהווה אתגר משמעותי.
כדי להדגים יישומים של הרכבה ישיר לכתוב, אנו מפוברק רשתות מוליכים, אלאנטנות קטנות ectrically, תאים סולריים, וגם דיודות פולטות אור עם אלקטרודות מודפס מישוריים פורש (איור 8-14). יש לציין, הגישה שלנו אינה מוגבלת ליצירת מבנים מתכתיים. באמצעות עיצובים דיו אחרים, כגון אלו המבוססים על fibroin משי, הידרוג ודיו אורגני נמלט, בנינו פיגומים 3D ורשתות כלי הדם של הנדסת רקמות והתרבות תאים באמצעות ישיר לכתוב הרכבה 26-30.
במבט לעתיד, ישנן הזדמנויות רבות ואתגרים. התקדמות נוספת דורשים עיצובים דיו חדש, דוגמנות טובה יותר של הדינמיקה זרימת הדיו, מערכות רובוטיות ובקרה משופרת. שטח גדול ייצור של 1D למבנים 3D עם תפוקה גבוהה ורזולוציה ננומטרי (<100 ננומטר) עדיין מהווה אתגר משמעותי.
אין ניגודי אינטרסים הכריז.
חומר זה מבוסס על עבודה נתמכת על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, חומרים מדעים והנדסה אגף (מס 'פרס DEFG-02-07ER46471) ואת האנרגיה DOE מרכז המחקר על אור חומרים אינטראקציות המרת אנרגיה (פרס מס' DE-SC0001293 ), ואת יתרון מן גישה המרכז Microanalysis של חומרים בתוך זייץ פרידריך חומרים במעבדת המחקר (FSMRL).
| שם מגיב | חברה | מספר קטלוגי | תגובות |
| פולי (חומצה אקרילית) | Polysciences, Inc | 06519 | MW 5000 g / mol |
| פולי (חומצה אקרילית) | Polysciences, Inc | 00627 | 50,000 MW g / mol |
| כסף חנקתי | Sigma-Aldrich | 209139 | כסף מקור |
| Diethanolamine | Sigma-Aldrich | D8885 | מרכך / צמצום סוכן |
| אתילן גליקול | Sigma-Aldrich | 102466 | Humectant |
| Sonicater | פישר סיינטיפיק | FS30H | - |
| סרכזת | Beckman Coulter | אוואנטי TM J-25 אני | - |
| רובוטית הבמה | Aerotech בע"מ | ABL 900010 | 3 ציר תנועה |
| מזרק לחבית | חברת EFD | 5109LBP-B | 3 מ"ל |
| זרבובית | חברת EFD | - | id = 0.1-250 מיקרומטר |
| מנפק | חברת EFD | 800 | מזגן מופעל |
| עיצוב תוכנה | אישית מעוצבת | - | Mingjie שו |