Opisano płaski oraz trójwymiarowy druk z użyciem przewodzących tuszy metalicznych. Nasze podejście otwiera nowe możliwości wytwarzania drukowanych urządzeń elektronicznych, optoelektronicznych i biomedycznych o nietypowych układach w skali mikro.
Artykuł metodologiczny
Opisano płaski oraz trójwymiarowy druk z użyciem przewodzących tuszy metalicznych. Nasze podejście otwiera nowe możliwości wytwarzania drukowanych urządzeń elektronicznych, optoelektronicznych i biomedycznych o nietypowych układach w skali mikro.
Elektronika drukowana opiera się na niskokosztowych metodach wytwarzania na dużych powierzchniach w celu tworzenia elastycznych lub wielowymiarowych urządzeń elektronicznych, optoelektronicznych i biomedycznych1-3. W niniejszej pracy skupiamy się na jednowymiarowym (1D), dwuwymiarowym (2D) i trójwymiarowym (3D) druku przewodzących tuszy metalicznych w formie elastycznych, rozciągliwych i rozpiętych mikroelektrod.
Montaż metodą zapisu bezpośredniego (direct-write assembly)4,5 to technika druku 1- do 3D, która umożliwia wytwarzanie elementów o różnej skali – od prostych linii po złożone struktury – poprzez osadzanie stężonych tuszy przez precyzyjne dysze (~0,1 - 250 μm). Ta metoda druku składa się z komputerowo sterowanego trójosiowego stołu przesuwnego, zbiornika z tuszem i dyszą oraz obiektywu teleskopowego 10x do wizualizacji. W przeciwieństwie do druku atramentowego, który jest procesem opartym na kropelkach, montaż metodą zapisu bezpośredniego polega na ekstruzji włókien tuszu w płaszczyźnie lub poza nią. Wydrukowane włókna zazwyczaj odpowiadają rozmiarowi dyszy. Dzięki temu można formować elementy w skali mikro (< 1 μm) i składać je w większe macierze oraz architektury wielowymiarowe.
W niniejszej pracy w pierwszej kolejności syntetyzujemy wysoko skoncentrowany tusz z nanocząsteczek srebra do druku planarnego i 3D za pomocą montażu metodą zapisu bezpośredniego. Następnie zaprezentowano standardowy protokół drukowania mikroelektrod w motywach wielowymiarowych. Na koniec podkreślono zastosowania wydrukowanych mikroelektrod w elektrycznie małych antenach, ogniwach słonecznych i diodach elektroluminescencyjnych.
1. Wstęp
2. Przygotowanie wysokostężonych tuszy z nanocząsteczkami srebra
3. Montaż metodą zapisu bezpośredniego
4. Reprezentatywne wyniki:
Przygotowaliśmy silnie skoncentrowane tusze z nanocząsteczkami srebra i zaprezentowaliśmy wydrukowane elementy przewodzące w motywach planarnych i 3D do zastosowań elektronicznych i optoelektronicznych z rozdzielczością druku ~ 2 - 30 μm. Przykładowo, Rysunek 8 przedstawia rozdzielczość druku tej techniki. Elementy wydrukowane z minimalną szerokością elektrody ~ 2 μm (grubości 1.4 μm) uzyskano w jednym przejściu przy użyciu dyszy 1-μm11.
Rysunek 9 przedstawia przezroczyste przewodzące siatki srebrne, naniesione za pomocą dyszy o średnicy 5 μm na elastyczną folię poliimidową12. Teksty znajdujące się pod wydrukowanymi siatkami są wyraźnie widoczne. Te przezroczyste siatki srebrne mogą stanowić atrakcyjną alternatywę dla materiałów z przezroczystych tlenków przewodzących (TCO).
Metoda ta umożliwia również drukowanie konformalne na podłożach niepłaskich. Rycina 10 przedstawia konformalny druk trójwymiarowej anteny elektrycznie małej. Do drukowania wzorów w formie linii meandrowych na powierzchni szklanej półsfery użyto dyszy metalowej o średnicy 100 μm13. Podejście to może znaleźć wiele zastosowań, w tym w przypadku anten implantowalnych i ubieralnych, elektroniki oraz czujników.
Przedstawiono zastosowania rozpiętych srebrnych mikroelektrod w trójwymiarowych ogniwach fotowoltaicznych oraz diodach elektroluminescencyjnych (Rysunek 11-14).
Najpierw, Rycina 11 przedstawia przykład krzemowej powłoki sferycznej. Ta cienka warstwa o grubości 2-μm może zostać połączona za pomocą połączeń drutowych z obwodem zewnętrznym poprzez druk wszechkierunkowy14. Metoda ta wykorzystuje minimalny nacisk stykowy, co jest wysoce korzystne w przypadku delikatnych urządzeń.
Następnie, Rysunek 12 przedstawia przykład drukowania łącznika rozpiętościowego dla macierzy krzemowych mikrokomórek słonecznych, w której elementy w postaci krzemowych mikrowstążek są oddzielone przerwą o szerokości 33-μm15.
Następnie, Rysunek 13 przedstawia srebrne połączenia dla macierzy LED opartej na arsenku galu z 4x4 pikselami, gdzie każdy piksel (500 x 500 x 2.5 μm3) jest oddalony od siebie o 200 μm11. Dolny obraz przedstawia macierz LED emitującą jednorodne czerwone światło przy przyłożonym napięciu polaryzującym 6 V z pojedynczego piksela. Możliwość drukowania elektrod rozpiętych pozwala na wielowarstwowe połączenia bez użycia warstw wspierających lub poświęcalnych (górne obrazy).
W ramach końcowej demonstracji Rysunek 14 przedstawia obrazy SEM dla złożonej 3D mikroperiodycznej sieci srebrnej wydrukowanej za pomocą dyszy 5μm.

Rycina 1. Obraz optyczny aparatury do bezpośredniego drukowania tuszem.

Rycina 2. Bezpośrednie nanoszenie atramentu w formie struktury filamentowej.

Rysunek 3. Bezpośredni druk tuszem samonośnych elementów wspornikowych.

Rysunek 4. Projektowanie tuszów do bezpośredniego druku tuszem (direct ink writing). Opracowano szeroką gamę stężonych tuszów wiskoelastycznych do bezpośredniego drukowania płaskich i złożonych struktur 3D z elementami w skali mikro.

Rycina 5. (Po lewej) Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) nanocząsteczek srebra. (W prawym górnym rogu) Obrazy SEM mikroelektrod srebrowych uformowanych dyszą o średnicy 15-μm w funkcji temperatury wyżarzania. (W prawym dolnym rogu) Rezystywność elektryczna mikroelektrod srebrowych w funkcji temperatury i czasu wyżarzania.

Rycina 6. Lepkość pozorna (η) tuszów z nanocząsteczkami srebra w funkcji zawartości fazy stałej.

Rysunek 7. Moduł sprężystości ścinania (G') w funkcji naprężenia ścinającego dla tuszów z nanocząsteczkami srebra o różnym stopniu wypełnienia fazą stałą.

Rysunek 8. Obrazy SEM planarnych macierzy srebrnych mikroelektrod naniesionych na podłoże krzemowe (Si) przy użyciu dyszy o średnicy 1-μm.

Rysunek 9. Obraz optyczny przezroczystych przewodzących siatek srebrowych (po lewej) oraz obrazy SEM siatek wydrukowanych w zależności od skoku linii (po prawej).

Rycina 10. Obraz optyczny zarejestrowany podczas druku konformalnego anten elektrycznie małych na półsferycznym podłożu szklanym.

Rysunek 11. Obraz optyczny uzyskany podczas drukowania przecinających mikroelektrod srebrnych na cienkiej (2-μm) sferycznej powłoce krzemowej.

Rysunek 12. Obraz SEM obejmującej srebrnej mikroelektrody nadrukowanej na matrycy krzemowych mikroogniw słonecznych.

Rycina 13. Obrazy SEM (góra) i obraz optyczny (dół) macierzy chipów LED 4x4 połączonych srebrnymi mikroelektrodami.

Rycina 14. Obraz SEM mikroperiodycznej srebrnej kraty 3D.
Konwencjonalne metody drukowania kropelkowego, takie jak druk atramentowy, ograniczają się do wytwarzania płaskich elektrod o niskim stosunku wysokości do szerokości ze względu na rozcieńczony charakter i niską lepkość stosowanych tuszy. Niedawno do tworzenia wzorów elementów przewodzących wykorzystano nanolitografię dip-pen (DPN)20-22 oraz druk e-jet23-25. Metody te również wykorzystują rozcieńczone tusze o niskiej lepkości. Pearton i współpracownicy wykorzystali DPN do osadzania komercyjnie dostępnego tuszu z nanocząsteczek srebra przy prędkościach pisania do 1600 μm s-1 i szerokościach linii około 0,5 μm22. Jednak w przypadku tego podejścia nie wykazano jeszcze możliwości wytwarzania powtarzalnych wzorów na dużych powierzchniach. Tusze z nanocząsteczek srebra były również osadzane za pomocą druku e-jet w celu utworzenia ścieżek przewodzących o szerokości linii ~ 1,5 μm25. Jednak podobnie jak w druku atramentowym, mogą powstawać niejednorodne elementy drukowane z powodu tworzenia się kropel satelitarnych i nierównomiernego schnięcia kropel24,25.
Jak wykazano powyżej, bezpośredni zapis (direct-write assembly) stężonych tuszów z nanocząsteczkami srebra pozwala pokonać te ograniczenia dzięki podejściu drukowania opartemu na tworzeniu filamentów. Technika ta umożliwia wytwarzanie przewodzących mikroelektrod o wysokim stosunku wysokości do szerokości (h/w ≈ 1,0) w jednym przebiegu, co pozwala na tworzenie architektur 1D, 2D i 3D. Rozmiar wydrukowanych elementów zależy od średnicy dyszy, zawartości części stałych w tuszu, przyłożonego ciśnienia oraz prędkości drukowania. Do tej pory za pomocą dyszy o średnicy 1 μm przy umiarkowanych prędkościach (< 2 mm s-1) uformowano ścieżki przewodzące o szerokości wynoszącej ok. 2 μm. Poprzez optymalizację składu tuszu i geometrii dyszy możliwe jest osiągnięcie maksymalnych prędkości drukowania przekraczających 10 cm s-1. Niemniej jednak, szybkie drukowanie z użyciem dysz o małej średnicy (< 5 μm) wciąż stanowi istotne wyzwanie.
Aby zademonstrować zastosowania montażu metodą zapisu bezpośredniego (direct-write assembly), wykonaliśmy przewodzące siatki, anteny elektrycznie małe, ogniwa słoneczne oraz diody emitujące światło z płaskimi i rozpiętymi drukowanymi elektrodami (Rycina 8-14). Co istotne, nasze podejście nie ogranicza się do tworzenia struktur metalicznych. Wykorzystując inne rodzaje tuszy, takie jak te oparte na fibroinie jedwabiu, hydrożelu i ulotnych tuszach organicznych, skonstruowaliśmy za pomocą montażu metodą zapisu bezpośredniego rusztowania 3D oraz sieci mikronaczyniowe do inżynierii tkankowej i hodowli komórkowych26-30.
Patrząc w przyszłość, dostrzegamy wiele możliwości i wyzwań. Dalsze postępy wymagają opracowania nowych projektów tuszy, lepszego modelowania dynamiki przepływu tuszu oraz ulepszonych systemów robotycznych i sterowania. Znacznym wyzwaniem pozostaje wielkopowierzchniowa fabrykacja struktur 1D do 3D przy wysokiej przepustowości i rozdzielczości nanometrycznej (< 100 nm).
Nie zgłoszono konfliktów interesów.
Materiał ten powstał w ramach prac wspieranych przez Departament Energii USA, Dywizję Nauk o Materiałach i Inżynierii Materiałowej (Grant nr DEFG-02-07ER46471) oraz DOE Energy Research Center on Light-Materials Interactions in Energy Conversion (Grant nr DE-SC0001293), a także dzięki dostępowi do Center for Microanalysis of Materials w ramach Frederick Seitz Materials Research Laboratory (FSMRL).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kwas poliakrylowy | Polysciences, Inc. | 06519 | m.w. 5,000 g/mol |
| Kwas poliakrylowy | Polysciences, Inc. | 00627 | m.w. 50,000 g/mol |
| Azotan srebra | Sigma-Aldrich | 209139 | Źródło srebra |
| Dietanolamina | Sigma-Aldrich | D8885 | Rozpuszczalnik/reduktor |
| Glikol etylenowy | Sigma-Aldrich | 102466 | Humektant |
| Sonikator | Fisher Scientific | FS30H | - |
| Wirówka | Beckman Coulter Inc. | AvantiTM J-25 I | - |
| Stolik robotyczny | Aerotech Inc. | ABL 900010 | Ruch w 3 osiach |
| Tuleja strzykawki | EFD Inc. | 5109LBP-B | 3 ml |
| Dysza | EFD Inc. | - | i.d. = 0.1 - 250 μm |
| Dozownik | EFD Inc. | 800 | Napędzany pneumatycznie |
| Oprogramowanie projektowe | Własne wykonanie | - | Mingjie Xu |