Name: Transferência Atacante induzida por laser de Ag Nanopasta (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-03-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 7 s
Description: Aprenda a técnica LIFT para impressão de nanopasta de prata de alta viscosidade, criando estruturas microescalas 2D e 3D com precisão. Este método avança a manufatura aditiva em nanotecnologia.

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Este trabalho foi financiado pelo Escritório de Pesquisa Naval (ONR) por meio do Programa de Pesquisa Básica do Laboratório de Pesquisa Naval.

1. Fazendo Substratos doadores <ol><li> Mascarar as bordas de uma lâmina de vidro com fita adesiva deixando uma região central de vidro descoberto. </li><li> Submerge a corrediça em Tamponada HF (6: 1 proporção de 40% de NH 4 F em água a 48% de HF em água) durante 3-15 min. Nota: Isto irá gravar o centro da lâmina que é desmascarado, criando assim um. A profundidade do poço deve estar entre 1 e 5 mm, que pode ser determinado através de um perfilómetro de estilete ou AFM utilizando as instruções do fabricante. </li><li> Remover a máscara de fita. </li></ol> 2. Criação da fita de tinta <ol><li> Espalhe uma pequena quantidade de pasta de Ag num lado do poço. Certifique-se de que não é suficiente para encher o poço, aproximadamente na gama de 10 mg. Não é necessário medir a quantidade em primeiro lugar, no entanto. </li><li> Firmemente arrastar uma lâmina de metal em frente ao poço, espalhando uma camada fina de pasta em toda a sua totalidade. Distribuir uniformemente a pasta sem quaisquer pontos finos. O produto final de THIs processo - um pequeno poço contendo tinta Ag - é chamado de &quot;fita&quot;. </li><li> Limpe qualquer pasta que se espalhou para fora do poço com um laboratório de limpar. </li></ol> 3. Secagem da fita <ol><li> Coloque a fita de face para cima em um ambiente de baixa umidade. Uma caixa cheia de azoto seco funciona melhor. </li><li> Deixar a fita durante pelo menos 2 horas à temperatura ambiente. Neste ponto, a viscosidade da tinta deve ser suficientemente elevado para imprimir. Nota: Após a secagem suficiente, fitas de tinta pode ser armazenado por cerca de um mês, colocando o bem virado para baixo sobre uma outra lâmina de vidro e armazená-lo em um ambiente seco-nitrogênio. Uma vez armazenados desta forma, não há problema em deixar as fitas de tinta sem supervisão por longos períodos de tempo. </li></ol> 4. Voxels impressão <ol><li> Fixe o substrato receptor para um estágio de translação XY usando um mandril de vácuo ou fita dupla face. Nota: O substrato receptor deve ser plana, mas não há outras limitações. wafers de silício, gllâminas burro, ou polímeros de 200 ° C compatíveis são todos os substratos receptor aceitáveis. </li><li> Coloque a fita de tinta a face para baixo sobre o substrato receptor. </li><li> Concentre-se a configuração da óptica através da parte de trás do substrato dador, sobre a superfície de trás da tinta para dentro do poço. NOTA: Há muitas maneiras de organizar a ótica para este processo, mas as seguintes etapas / componentes são necessários: <ol><li> Use um laser UV pulsada com um feixe, com uma distribuição de energia espacial &quot;top-hat&quot; (em oposição a Gaussian). Usar um laser capaz de disparar controladamente impulsos individuais, que podem requerer um modulador óptico-acústico. O modulador acústico-óptico permite ao utilizador controlar o disparo de pulsos individuais. </li><li> Passar o feixe através de uma abertura, formando a secção transversal do feixe na forma desejada. Note-se que a forma da abertura determina a forma do voxel. Isto quer dizer, a abertura é essencialmente trabalhada sobre o substrato dador, análoga à MASk projecção. </li><li> Usar uma objectiva microscópica para reduzir o tamanho da secção transversal do feixe, o qual determina o tamanho do voxel impresso. Por exemplo, se um 10X rendimentos objetivas voxels quadrados com 50 mm dimensões laterais, em seguida, um objetivo 50X irá imprimir a mesma forma (quadrado) voxels com 10 mm dimensões laterais. </li><li> Coloque uma câmera de vídeo em linha (via divisor de feixe), com o objetivo microscópica. Isso permite o monitoramento ativo da fita de tinta. </li></ol></li><li> Disparar um único pulso de laser sobre o substrato doador. Um valor de partida razoável para a fluência do laser é na gama de 40-60 mJ / cm2. Assegure-se que existe um buraco na visível a forma da secção transversal onde o feixe de laser foi ejectado do voxel. Se o buraco não é visível, há várias razões possíveis: <ol><li> Fora de foco. <ol><li> Ajuste a altura do objectivo de focagem. Isto pode trazer o buraco em foco. </li></ol></li><li> Energia baixa. <ol><li> lentamente incRease a energia do laser até uma fluência de 60-80 mJ / cm2. Mais grossas fitas de tinta pode exigir altos valores de fluência. </li></ol></li><li> Viscosidade da tinta muito baixo. <ol><li> Se um voxel é ejectado mas o furo na fita de tinta recargas imediatamente, então a viscosidade da tinta é ainda demasiado baixo, portanto secar a fita durante mais 30 min, com base nas instruções no passo 3 e passo 4, em seguida, iniciar novamente. </li></ol></li></ol></li><li> Mova o estágio de translação XY ao longo do eixo X e Y para um novo local. </li><li> Disparar um único pulso de laser sobre o substrato doador de novo, ejetar um voxel e deixando um buraco agudamente definido onde o voxel foi ejetado da fita de tinta. </li></ol> 5. Impressão estruturas complexas <ol><li> Criar linhas ligando juntos voxels adjacentes da seguinte forma: <ol><li> Transferir um voxel como descrito em 4,1-4,4. </li><li> Mova o estágio de translação comprimento de um voxel XY ao longo da direção X ou Y. </li><li> Transferir um voxel como descrito em 4,1-4,4. </li><li> Repita este processo até que seja obtida uma linha suficientemente longo. </li></ol></li><li> Criar ponte ou cantilever estruturas da seguinte forma: <ol><li> Alinhar o feixe de modo a que o voxel ejectado irá transpor um hiato geométrica sobre o substrato de dador ou de tal modo que uma porção do voxel irá sobressair além da borda de uma abertura geométrico. </li><li> Transferir um voxel como descrito em 4,1-4,4. Nota: Se a viscosidade da pasta é muito baixo, o voxel pode estar de acordo com as características abaixo dela em vez de criar uma ponte ou em linha suspensa. </li></ol></li><li> Criar estruturas de alto relação de aspecto da seguinte maneira: <ol><li> Transferir um voxel como descrito em 4,1-4,4. </li><li> Sem mover o substrato receptor, mova o substrato dador para um local fresco na fita de tinta. </li><li> Transferir um voxel como descrito em 4,1-4,4. </li><li> Repita os passos 5.3.2 e 5.3.3 até um recurso do hei suficienteght é obtido. Se a estrutura é construída mais alto do que ~ 3-5 mm, insira periodicamente espaçadores entre o substrato do doador e do receptor para que a pilha voxel e fita de tinta não entram em contato direto. Note-se que a óptica terá de ser reorientados como descrito na secção 4.4.1 para ter em conta a alteração no altura do substrato dador. </li></ol></li></ol> 6. imprimir imagens complexas através DMD Chip <ol><li> Desenhar ou fazer upload de imagem de forma voxel desejado. Certifique-se de que o formato do arquivo de imagem é um bitmap. Nota: É crucial usar o factor demagnification do sistema óptico para dimensionar o desenho para o tamanho do voxel a ser impresso. A DMD essencialmente substitui a abertura, então em vez de imagiologia do feixe com o que é essencialmente mascarar projeção, uma série de micro-espelhos é usada para moldar o feixe. </li><li> Selecione a laser apropriado (UV ou verde). </li><li> Ligue DMD e abrir software DMD. <ol><li> Clique em &quot;Abrir imagem&quot; e bitmap patte de cargarn. Selecione carregar e redefinir. </li><li> Clique em &quot;Adicionar&quot;. Nome do arquivo de bitmap deve aparecer no painel da direita. </li><li> Clique em &quot;Executar uma vez&quot;. padrão de bitmap agora está carregado em DMD. </li></ol></li><li> Disponha os substratos doador e receptor como descrito nas etapas 4.1 a 4.3. Transferência da tinta como descrito nas etapas 4.4 a 4.6. </li><li> Uma vez que as transferências são bem-sucedido, repita os passos de 6,3-6,4, se necessário; em seguida, avance para a etapa 7. </li></ol> 7. Furnace Uma vez que todos os voxeis são impressos, curar em um forno. <ol><li> Coloque o substrato receptor de face para cima no forno. </li><li> Deixar a cura a 180 ° C durante 2 h. </li></ol>

<ol><li>Park, J. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+electrohydrodynamic+jet+printing%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Mater%22%5BJournal%5D)">High-resolution electrohydrodynamic jet printing.</a> Nature Mater. 6, 782-789 (2007).</li>
<li>Hon, K. K. B., Li, L., Hutchings, I. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+writing+technology+-+Advances+and+developments%5BTitle%5D)+AND+%22CIRP+Ann%22%5BJournal%5D)">Direct writing technology - Advances and developments.</a> CIRP Ann. 57, 601-620 (2008).</li>
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<li>Soltman, D., Smith, V., Kang, H., Morris, S. J. S., Subramanian, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methodology+for+inkjet+printing+of+partially+wetting+films%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Methodology for inkjet printing of partially wetting films.</a> Langmuir. 26, 15686-15693 (2010).</li>
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<li>Duocastella, M., Fernandez-Pradas, J. M., Serra, P., Morenza, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Jet+formation+in+the+laser+forward+transfer+of+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+A%3A+Mater.+Sci.+Process%22%5BJournal%5D)">Jet formation in the laser forward transfer of liquids.</a> Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 93, 453-456 (2008).</li>
<li>Feinaueugle, M., Alloncle, A. P., Delaporte, P., Sones, C. L., Eason, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-resolved+shadowgraph+imaging+of+femtosecond+laser-induced+forward+transfer+of+solid+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Surf.+Science%22%5BJournal%5D)">Time-resolved shadowgraph imaging of femtosecond laser-induced forward transfer of solid materials.</a> Appl. Surf. Science. 258, 8475-8483 (2012).</li>
<li>Breckenfeld, E., Kim, H., Auyeung, R. C. Y., Charipar, N., Serra, P., Piqué, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser-induced+forward+transfer+of+silver+nanopaste+for+microwave+interconnects%2C+A%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Surf.+Science%22%5BJournal%5D)">Laser-induced forward transfer of silver nanopaste for microwave interconnects, A.</a> Appl. Surf. Science. 331, 254-261 (2015).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Neste trabalho, nós demonstramos um processo para não-contato, impressão tridimensional, bem como a laser de um único tiro, impressão de grande área (via chip DMD) de alta viscosidade Ag nanopasta. Ao contrário de outras técnicas de gravação direta, como a jato de tinta, a técnica LDT aqui descrito permite a impressão de formas complexas voxel com um pulso de laser, ou seja, em uma única etapa. Embora vários aspectos do procedimento pode parecer simples, existem múltiplos passos que exigem testes iterativo, a fim de optimizar. Primeiro, pasta seca e viscosidade são os fatores mais importantes para a transferência bem sucedida. Embora esses pontos já foram sido repetidamente enfatizado no texto, reiteramos o ponto aqui sublinhar a importância. Se a viscosidade da tinta é demasiado baixo, então será impossível imprimir, formas de voxel bem definidas afiadas. Um sinal indicador de que a viscosidade da tinta é muito baixa ocorre ao tentar ejetar um voxel. Quando o pulso de laser é disparado, ovoxel aparece para ejectar momentaneamente, mas a tinta vai encher rapidamente em volta do orifício deixado no substrato dador. Neste caso, o utilizador deve parar de disparar o laser e a tinta deve ser adicionalmente tratado como descrito nas etapas 3.1 e 3.2. Se a viscosidade da tinta é demasiado elevado, o processo de transferência do voxel aparece bem sucedida na fita. No entanto, ao examinar os voxels sobre o substrato receptor, não será significativo rasgamento, fractura, ou detritos. Neste caso, o usuário precisa de dispor da fita atual e fazer uma nova fita, conforme descrito na seção 2. Otimização da viscosidade da tinta e tempo de secagem deve ser feita com a avaliação da qualidade de tentativas de transferência de voxel. Nós não recomendamos tentar medir a viscosidade da pasta em qualquer ponto. Em segundo lugar, a fluência do laser é quase tão importante como a viscosidade da tinta e muito pequenas mudanças na fluência pode ter um efeito significativo sobre o processo. Deve ser muito claro quando a energia é muito baixo - o voxelnão será ejetado a partir do substrato doador. Recomenda-se para começar o intervalo de fluência sugerido no passo 4.4, e, em seguida, muito gradualmente aumentar o valor. A energia mais baixa, que resulta em uma transferência total é chamado de &quot;fluência limiar&quot;. Muitas vezes, é melhor para operar na ou perto da fluência limite porque os valores de fluência mais elevados tendem a fracturar ou rasgar os voxels. Finalmente, dependendo da variedade de laser utilizado para o processo, pode haver pontos quentes no perfil de laser. Isso pode exigir um ajuste da abertura para provar uma região mais homogénea do feixe. Se a forma do voxel ejectado é deformado ou mal corresponde à forma da secção transversal do feixe, pontos de laser ou a espessura da camada de tinta ou a uniformidade pode ser responsável. Além solução de problemas, existem algumas limitações para a técnica. O passo final do forno de cura faz com que seja difícil ou impossível de alcançar voxels com as propriedades funcionais desejadas de não-T-altaemperatura substratos compatíveis. Geralmente, o nanopasta Ag utilizado neste manuscrito requer uma temperatura de cura de pelo menos 150 ° C, a fim de se obter valores de condutividade razoáveis. A fabricação da camada de tinta sobre o substrato de dador tem de ser optimizadas para melhorar a uniformidade da espessura, a cobertura de área e o tempo de processamento. A espessura da camada de tinta tem um efeito dramático sobre a influência limiar e qualidade de transmissão, e espessura não homogénea pode fazer o processo de transferência difícil, especialmente quando se transferem os voxels menores do que 20 um x 20 um. O design atual para o substrato doador faz com que seja difícil criar fitas com mais de 10s de cm, o que limita a taxa de transferência de grande área. Assim, o desenvolvimento de modelos de substrato doador alternativos, tais como bobina-a-bobina ou disco rotativo, seria necessária para automação melhorada e processamento de área maior. A força da técnica LDT reside na capacidade de transferência de fluidos com altaviscosidades que outras técnicas drop-on-demand não pode manipular. As vantagens de LDT pode ser separada em duas situações em que, em primeiro lugar, pasta de impressão de alta viscosidade oferece uma melhoria na qualidade ou velocidade sobre a impressão de baixa viscosidade de pasta e em segundo lugar, em situações em que a impressão com pasta de alta viscosidade permite estruturas que não são acessíveis para a impressão de baixa viscosidade . Exemplos de vantagens da primeira categoria são: mínima variabilidade voxel dos efeitos de molhagem, alto grau de controle sobre a forma e tamanho voxel, encolhimento mínimo durante a cura e energia laser de baixa em comparação com outros processos de elevação (e, portanto, baixa velocidade de transferência). Exemplos da segunda categoria são: a impressão de estruturas de alta proporção de tela, estruturas de ponte, vigas, e qualquer outra estrutura que requer uma boa voxel-forma de retenção. Ao combinar o processo de LDT com o chip DMD, impressão paralela de formatos e padrões complexos é activada, o que acelera grandemente o processo global. Além disso, Tele usa de um DMD para moldar os voxels permite designs de ser actualizados entre os pulsos de laser, permitindo a impressão rápida dos voxels dinamicamente reconfiguráveis. De um modo geral, a taxa de atualização da DMD (33 kHz) é ligeiramente mais lento do que a taxa de repetição máxima do laser (100 kHz ou superior), mas a taxa fator limitante para a velocidade de impressão é a tradução palco. As avenidas principais para o avanço com o sistema LDT são o desenvolvimento contínuo de materiais adicionais, melhorando o processo de fabricação da fita, e continuando a expandir o processo através da integração de tecnologia de processamento digital de luz (DLP), como o chip DMD. Embora os materiais metálicos e isolantes foram transferidos com sucesso por este processo, alguns materiais activos têm sido desenvolvidos. A capacidade de imprimir materiais piezoelétricos, magnéticos ou optoeletrônicos com o processo de LDT poderia abrir enormes possibilidades tecnológicas. Tal como está, a geometria da subst doadorlimites de taxa de escalabilidade. O desenvolvimento de bobina a bobina ou girar substratos disco doadores iria agilizar os processos consideravelmente. Finalmente, a combinação dos LDT com tecnologia DLP é um desenvolvimento potencialmente perturbador para o campo da fabricação digital, transformando um processo previamente série em um processo altamente paralelo. Um dos principais desafios para este objetivo é a capacidade de imprimir voxels com boa resolução recurso em múltiplas escalas. Isto quer dizer, os voxels com dimensões laterais da ordem de 10 segundos ou 100 s de características uM contendo na ordem de 1-5 ^ m. Tomados em conjunto, estes desenvolvimentos oferecem oportunidades importantes para-grande área de fabricação aditiva de componentes eletrônicos.

Aditivos técnicas de impressão são de considerável interesse para a modelação de materiais funcionais em uma variedade de substratos. Esses chamados processos &quot;de gravação direta&quot;, incluindo micropen 10, montagem direta e gravação 11, jato de tinta 12, e LIFT 4, são bem adaptados para a fabricação de uma variedade de tamanhos de recursos que variam de sub-micron para macroescala 1,2 . As principais vantagens destas técnicas são de baixo custo, respeito pelo ambiente, e retorno rápido do conceito ao protótipo. Na verdade, a prototipagem rápida é um uso principal para tais processos. Os materiais utilizados por estes processos consistem geralmente de uma suspensão de nanopartículas dentro de um solvente, e geralmente requerem um forno de cura após a etapa de deposição de modo a realizar as suas propriedades funcionais. Embora micropen e montagem e gravação direta são relativamente simples de implementar, ambos dependem de um contato de filamento contínuo com o substrato de recepçãodurante a distribuição. Embora a jacto de tinta é um método de não-contacto simples,-escrita directa, que é geralmente limitado à transferência de baixa viscosidade, suspensões de nanopartículas quimicamente benignas, a fim de evitar o entupimento e / ou a corrosão dos bocais de distribuição. Além disso, os padrões de impressão com recursos de ponta bem definidas por jato de tinta é muito difícil, dado o comportamento variável de fluidos em diferentes superfícies e sua instabilidade resultante devido a efeitos de molhagem 13. Independentemente disso, a jato de tinta tem desfrutado de mais atenção dos pesquisadores até agora. ELEVADOR, por outro lado, é um processo aditivo livre de bico de não-contacto, a qual é capaz de transferir pasta de alta viscosidade com limites bem definidos. Neste processo, quantidades controladas de materiais complexos são transferidas a partir de um substrato dador (ou &quot;fita&quot;) para um substrato de recepção, utilizando pulsos de laser 4, como mostrado esquematicamente na Figura 1. Quando se utiliza pasta de elevada viscosidade, é possvel para o voxel impressa para coincidir com o tamanho ea forma da seção transversal pulso de laser incidente 5. Este processo tem sido referido como a transferência de decalque de laser (LDT), e oferece uma abordagem única para-escrita directa em que forma e a dimensão do voxel são prontamente parâmetros controláveis, permitindo a geração não-litográfica de estruturas para uma ampla gama de aplicações, tais como reparação de circuito 14, metamateriais 7, interconexões 8 e estruturas de free-standing 15. A capacidade de depósito em formas complexas um passo de transferência reduz grandemente o tempo de processamento e evita os problemas relacionados com a fusão de várias voxels, um problema comum na maior parte das técnicas de impressão digital. A capacidade de ajustar dinamicamente o perfil espacial dos pulsos de laser individuais 17 serve para aumentar a velocidade de gravação de LDT, em comparação com outras técnicas de laser de gravação directa (LDW). Como um resultado destas vantagens de processamento, que se referem ao processo LDT como sendo&quot;Parcialmente em paralelo&quot;, uma vez que permite a combinação de várias etapas de escrita de série em um único paralelo. O grau de paralelismo em última análise depende da capacidade para alterar rapidamente o laser perfil de secção transversal, e, portanto, a forma do voxel resultante, e da velocidade através da qual a fita e o substrato pode ser traduzido. Para ajudar a visualizar o processo, o comportamento de um material durante o processo de elevador está representado esquematicamente nas Figuras 2A, 2C, 2E e para três diferentes viscosidades de pasta. Para tintas de baixa viscosidade (Figura 2A) 9, o processo de transferência seguinte de jacto comportamento, resultando na formação de, voxels hemisféricas arredondados (Figura 2B) 18. A Figura 2C descreve a transferência para suspensões viscosidade muito alta, em que o voxel ejectado experimenta fragmentação semelhante ao que é observados com elevador de modotampa camadas de cerâmica 19. A Figura 2E descreve a transferência de nanopasta LDT com uma viscosidade adequada, intermediário, em que o voxel lançado não está sujeito a forma de deformação devido a efeitos de tensão superficial e atinge o substrato receptor intacto. O efeito da viscosidade na forma de voxels transferidos é mostrado nas imagens de microscopia de força atómica (AFM) nas figuras 2B, 2D, e 2F. Como a Figura 2F demonstra, é possível obter, voxels nítidas bem definidas para um conjunto adequado de viscosidades, geralmente ~ 100 Pa · s para Ag nanopasta 5. Globalmente, houve poucos relatos de métodos que combinam a impressão sem contacto com o potencial para estruturas 3D de resolução micron. O método LDT oferece um processo de forma livre capaz de fabricar interconexões com capacidades de campo de ligação ultra-finos. Um número de aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos delicados, eletrônica orgânica, E sistemas microeletromecânicos (MEMS) poderia beneficiar de um tal processo. Aqui demonstramos um processo para não-contato, impressão tridimensional, bem como a laser de um único tiro, impressão de grande área (via chip DMD) de alta viscosidade Ag nanopasta.

<table><tbody><tr><td>Nano-pasta de prata para serigrafia</td><td>Harima Chemicals Group, http://www.harima.co.jp/en/</td> <td>NPS Tipo HP</td><td>Store em 10 &# 176; C, não deixe congelar; Antes de usar, espere 1 hora para que a pasta atinja a temperatura ambiente.</td></tr><tr><td>Solução de HF tamponada</td><td>http://transene.com/sio2/</td> <td>BUFFER HF MELHORADO</td><td>A taxa de gravação pode variar dependendo da estrutura do material</td></tr></tbody></table>

transferência atacante induzida por laser de ag nanopasta

Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste

Durante a última década, tem havido muito desenvolvimento de métodos 1-3 não litográficas para impressão de tintas metálicas ou outros materiais funcionais. Muitos desses processos, tais como a jato de tinta 3 e induzida por laser de transferência para a frente (LIFT) 4 tornaram-se cada vez mais popular como o interesse em eletrônicos de impressão e padronização sem máscara tem crescido. Estes aditivos são processos de fabrico barato, amigo do ambiente, e bem adaptada para prototipagem rápida, quando comparada com as técnicas de processamento de semicondutor mais tradicionais. Enquanto a maioria dos processos de gravação direta estão confinados a estruturas bidimensionais e não pode lidar com materiais com alta viscosidade (particularmente inkjet), LIFT pode transcender tanto as restrições, se realizada corretamente. Transferência congruente de três pixels dimensionais (chamados voxels), também conhecidos como transferência do decalque laser (LDT) 5-9, foi recentemente demonstrado com a técnica LIFT usando altamente viscoso nanopast Ages para fabricar interconexões autônomas, formas voxel complexos e estruturas de alta proporção de tela. Neste artigo, demonstramos um processo, mas versátil simples para a fabricação de uma variedade de estruturas Ag micro e macroescala. Estruturas incluem formas simples para padronização contatos elétricos, ponte e estruturas cantilever, estruturas de alto aspecto de relação e de um único tiro, grandes transferências de área usando um chip comercial Digital Micromirror Device (DMD).

A Figura 3 mostra um substrato dador representativo com um poço no seu centro. Uma lâmina de vidro padrão foi utilizado para o substrato dador, e a profundidade do poço, neste caso, é de 1 uM. Note-se que todo o nanopasta Ag está confinada ao poço rectangular e o resto do substrato é limpo. É também importante notar que a coloração é uniforme, indicando pasta espessura aproximadamente uniforme. Regiões com coloração mais clara indicam pontos finos, que são evitados melhor. A Figura 4 mostra uma imagem óptico de 20X do substrato doador após uma matriz 6x6 de 20 mm x 20 mm voxels quadrados foram expulsos. Neste caso ideal, não há nenhum resíduo de pasta nas lacunas e todos os voxels foram totalmente ejectado a partir da fita. Se a energia for insuficiente ou se existem pontos quentes significativas no perfil de feixe, voxels só parcialmente separar e manter-se preso à parte de trás da fita. Voxels ejetado do pastes com diferentes viscosidades podem ser encontrados na Figura 5 9. Quando a viscosidade da pasta é baixa, ou seja, não tem sido suficientemente seco, tensão superficial irá fazer com que os voxels a tornar-se mais arredondadas, perdendo a sua forma original (como visto na Figura 5A e B ). Note-se como os formatos dos voxeis na Figura 5B são diferentes das formas de feixes (exibido na inserção da Figura 5B). No outro extremo, quando a viscosidade da pasta é elevado, isto é, tem sido sobre-seca, voxels têm uma tendência para fracturar quando ejectado como pode ser visto na figura 5C e D. Assim, há uma gama de viscosidade intermédia, que permite a transferência de voxels unfractured que retêm a forma do perfil de feixe como pode ser visto na Figura 5E e F. Demonstramos duas variedades de cadeias de voxels que formam linhas condutoras longos. O primeiro foi um simples em cadeia end-to-end em which 40 x 60 um 2 voxels foram transferidos adjacentes uns aos outros (Figura 6A e B) 20. Geralmente, este método de ligação foi pouco fiáveis, com interfaces parcialmente ou completamente quebrado que aparecem após uma cura suave a 100 ° C (como visto na Figura 6B). O segundo método utilizado dentada, bloqueando voxels transferidos extremidade-a-extremidade (Figura 6C e D). As linhas a tracejado na Figura 6C descrever a forma original dos voxels, como a alta qualidade da interface faz com que seja difícil de resolver as formas individuais visualmente. Este efeito é muito clara na Figura 6D, onde a costura entre voxels é quase invisível. A geometria dentada era mais confiável do que o fim end-to-simples, com quase todos os restantes interfaces contínuo após um C cura de até 100 °. A Figura 7 demonstra várias geometrias de empilhamento, padrões e proporções. Uma únicavoxel atravessando uma trincheira 100 um de largura de Si pode ser encontrada na Figura 7A. A obtenção da viscosidade direita é de extrema importância para a ponte ou aplicações independentes, a fim de impedir que o voxel de flacidez ou conforme com a geometria do substrato receptor. Estruturas, multi-camada complexa pode ser visto na Figura 7B-D, incluindo duas pirâmides empilhados e de aspecto elevado rácio micro pilares. Essas geometrias são importantes para aplicações que exigem interconexões verticais e abrangendo. Finalmente, a figura 8A mostra uma configuração óptica alternativo que utiliza um chip DMD comercial, referido como um &quot;dispositivo de espelho digital&quot; no diagrama. Tal como descrito no passo 6, grandes, imagens complexas pode ser carregado para o computador e transferida com um único pulso de laser. Um logotipo NRL impresso com êxito pode ser encontrada na Figura 8B. Notamos que, com um único disparo, que podem transferir uma estrutura de pasta com um comprimento de 1 mm e uma característica rSolução de ~ 20? M. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/53728/53728fig1.jpg" /> Figura 1. Diagrama esquemático da configuração LDT. Note-se que a forma voxel é determinada pela forma do feixe transversal apenas para tinta de alta viscosidade. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/53728/53728fig2.jpg" /> Figura 2. Diagrama esquemático do voxel de ejecção. Os diagramas ilustram a evolução da transferência para (A) de baixa viscosidade, (C) de alta viscosidade, e (E) de viscosidade intermédia. Parcelas de AFM os voxels resultantes são fornecidos em (B), (D), e (F), respectivamente. Esta figura foi modificado<html> a partir de [9]. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53728/53728fig3.jpg" /> Figura 3. Imagem de Ag substrato nanopasta doador. O substrato em si é uma lâmina de vidro com um 1 um poço profundo no centro. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/53728/53728fig4.jpg" /> Figura 4. 20X óptico de imagem da camada de pasta sobre a fita (substrato doador) após a transferência voxel. Afiado, bordas bem definidas e falta de resíduo indicam secagem pasta suficiente e transferência completa do material da fita.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig4large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/53728/53728fig5.jpg" /> Perfis de viga Figura 5. microscopia eletrônica de varredura (MEV) imagens de vários voxels diferentes. Estão representados na inserção (B). Três formas diferentes de voxel foram impressos a partir da baixa viscosidade (A, B), viscosidade elevada (C, D), e de viscosidade intermédia (E, F). Note-se que baixa viscosidade leva a uma perda de forma e voxel nitidez enquanto alta viscosidade leva a fratura voxel. Esta figura foi modificado a partir de [9]. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> . Figura 6. imagens SEM de cadeias voxel siameses duas geometrias que ligam estão representados: simples end-to-end (A, B) e anotou-de bloqueio (C, D). Em geral, com entalhe de encravamento geometrias são encontrados para ser mais fiável ao mesmo tempo simples de ponta-a-ponta têm uma tendência para quebrar devido ao encolhimento durante as etapas de forno. Esta figura foi modificado a partir de [20]. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig6large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/53728/53728fig7.jpg" /> . Figura 7. As imagens de SEM de várias estruturas de voxel geometrias complexas incluem: um voxel rectangular colmatar uma trincheira 100 m de largura (a), uma multicamada s<html> caffold (B), uma elevada relação de forma de pirâmide (C), e vários pilares de aspecto elevado rácio micro (D). Esta figura foi modificado a partir de [8]. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig7large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/53728/53728fig8.jpg" /> Figura 8. Diagrama esquemático e os resultados do LDT através chip DMD. No diagrama esquemático (A), da abertura do laser foi substituído com o chip DMD, que é um grande conjunto de micro-espelhos. O padrão a partir de um arquivo de imagem pode ser fielmente fotografada no substrato doador, ejetando uma réplica exata do padrão de voxels em um único tiro. Como exemplo, um logotipo NRL (B) foi transferido por um único tiro laser.ig8large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Demonstramos o uso da técnica de transferência direta induzida por laser (LIFT) para a impressão de pasta Ag de alta viscosidade. Essa técnica oferece um processo simples, robusto e de baixa temperatura para impressão não litográfica de estruturas 2D e 3D em microescala.

Transferência Atacante induzida por laser de Ag Nanopasta

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of ...

O objetivo geral desta técnica é imprimir características semelhantes a filmes finos que sejam altamente congruentes em forma e tamanho em relação a um ponto laser incidente. Esta técnica de manufatura aditiva pode imprimir interconexões salientes, microplataformas e estruturas de alta razão de aspecto. Este é um método de escrita direta baseado na transferência direcional induzida por laser, ou LIFT.Diferentemente do LIFT tradicional, nosso processo utiliza uma pasta nano de prata de alta viscosidade, que minimiza qualquer interação indesejada com o substrato. A principal vantagem dessa técnica é que ela é um processo sem contato e sem bico, capaz de transferir formas de maneira congruente, com dimensões variando de algumas micras a mais de 100 micras. Comece espalhando cerca de 10 miligramas da pasta nano de prata preparada em um dos lados de um poço com profundidade de dois micrômetros gravado em uma lâmina de vidro.Essa nanopasta é o substrato doador. Em seguida, utilizando uma lâmina de metal, espalhe a pasta uniformemente pelo poço, sem deixar áreas finas. Um poço pequeno preparado com pasta funciona como uma fita de tinta.Remova o excesso de pasta ao redor do poço. Em seguida, seque a fita de tinta em uma caixa cheia de trinitrogênio. É necessário um ambiente com baixa umidade.Após duas ou mais horas em temperatura ambiente, a tinta deverá estar pronta para impressão. Para armazenamento de até um mês, posicione o poço com a face voltada para baixo sobre uma lâmina de vidro e mantenha este conjunto em um ambiente de trinitrogênio. Para testar a viscosidade da fita, tente transferir alguns voxels quadrados por meio de laser.A palavra "voxel" refere-se a um único elemento volumétrico de material. A forma quadrada é selecionada porque serve como um bom teste para a transferência laser congruente. Primeiro, prepare o substrato receptor, neste caso, uma pastilha de silício cortada.Conecte-o a um caminhão de vácuo em uma plataforma de translação X, Y. Em seguida, posicione calços feitos do mesmo material e com a mesma altura do substrato receptor, em ambos os lados do substrato. Agora, ative a bomba de vácuo para fixar o substrato receptor e os calços ao porta-substrato.Em seguida, posicione o substrato doador, com o lado da tinta voltado para baixo, sobre o substrato receptor. Selecione uma abertura com a forma de voxel desejada e posicione-a no trajeto do feixe. Neste exemplo, utiliza-se uma abertura quadrada.Usando uma câmera que é parfocal com o ponto do laser, foque na camada de tinta no poço, através do lado traseiro da fita. Agora, tente imprimir alguns vóxeis a laser. Primeiro, dispare um único pulso de laser sobre o substrato doador.Inicie em algum ponto entre 40 e 60 milijoules por centímetro quadrado. Se a posição de foco estiver correta e se a energia for suficientemente alta, um voxel será ejetado. Verifique a presença de um orifício quadrado na camada de tinta da fita, o que indica que um voxel foi ejetado.Em seguida, afaste o substrato doador e inspecione o vóxel ejetado. Se o orifício não for visível ou claro, ajuste o foco do feixe reposicionando o objetivo. Se o foco estiver correto, mas nenhum vóxel aparecer, aumente gradualmente a energia do laser.Se aparecer um orifício, mas parecer desaparecer rapidamente, pode ser que esteja se reenchendo com tinta. Isso ocorre quando a viscosidade da tinta é muito baixa. Tente secar a fita por mais 30 minutos.A otimização da viscosidade da tinta da fita é a etapa mais importante do processo LIFT. Se a viscosidade da tinta for muito baixa, você não conseguirá formas bem definidas. E se for muito alta, os vóxeis irão rachar ou quebrar.Uma vez que um vóxel quadrado nítido e bem definido possa ser produzido, tente imprimir uma matriz de vóxeis para garantir a reprodutibilidade do processo de transferência. Se tudo estiver bem otimizado, uma matriz bem definida de vóxeis deverá ser transferida, o que é evidenciado por uma matriz de orifícios quadrados na fita. Muitas estruturas avançadas podem ser impressas usando essa tinta de alta viscosidade, as quais seriam impossíveis de imprimir com tinta de baixa viscosidade, como por exemplo uma ponte.Uma estrutura de ligação pode ser criada pela ejeção de vóxeis sobre um microcanal ou espaço no substrato. Estruturas em forma de pirâmide podem ser criadas empilhando vóxeis uns sobre os outros de maneira escalonada. Pilhas com alta razão de aspecto também podem ser criadas transferindo repetidamente vóxeis para o substrato doador na mesma localização.Se alguma estrutura tiver mais de cinco mícrons de altura, insira espaçadores entre os substratos periodicamente, para que os vóxeis não entrem em contato com a fita de tinta. Não se esqueça de que a óptica deve ser sempre reajustada após a adição de espaçadores. Formas de vóxeis ainda mais complexas podem ser impressas, utilizando um chip DMD no lugar de uma abertura de imagem.Uma imagem da forma desejada do vóxel deve ser preparada previamente no software comercialmente disponível para DMD. Esse processo é descrito mais detalhadamente no protocolo textual. Com base na imagem selecionada no software, o chip DMD refletirá o feixe de laser incidente para criar uma imagem correspondente no substrato doador.Se realizado corretamente, um vóxel com o formato da imagem deverá ser ejetado. Utilizando este método, é relativamente simples imprimir qualquer variedade de formas complexas de vóxeis com resolução de 10 a 20 mícrons. Após a deposição, a pasta de prata pode ser curada em estufa em condições atmosféricas, para melhorar as propriedades funcionais.Para curar os voxels impressos em forno, transfira o substrato para um forno a 180 graus Celsius. Deixe a amostra curar por até duas horas. Em seguida, caracterize a amostra.Ocorre uma redução significativa de volume quando os vóxeis são curados. Uma redução de volume de 50 a 60% é comum. Geralmente, essa redução de volume se manifesta como uma diminuição na espessura dos vóxeis, e não como uma redução nas dimensões laterais.A viscosidade da pasta de prata tem um grande impacto na qualidade dos vóxeis. Quando a viscosidade da pasta é baixa, a tensão superficial fará com que os vóxeis fiquem mais arredondados, perdendo sua forma original. Se a viscosidade da pasta for muito alta, os vóxeis tendem a fraturar.Quando a viscosidade da pasta é adequada, as bordas dos vóxeis são bem definidas e não há fraturas. Cadeias de vóxeis podem ser transformadas em linhas condutoras longas utilizando uma técnica de ponta a ponta. No entanto, conectar simplesmente vóxeis retangulares não é muito confiável, e as ligações frequentemente se rompem após o tratamento em forno.Ao imprimir vóxeis entrelaçados de forma contínua, esse problema pode ser evitado e linhas contínuas podem ser produzidas de maneira confiável. A transferência direcional induzida por laser é um processo direto exclusivo, que pode transferir de forma congruente nanopastas de alta viscosidade, mantendo suas propriedades funcionais intrínsecas. Essa alta congruência entre o ponto laser e o vóxel impresso permite a fabricação de estruturas e superfícies inovadoras para aplicações em microeletrônica.Com prática suficiente, você deverá ser capaz de transferir formas simples de maneira confiável em uma a duas horas.

laser-induced-forward-transfer-of-ag-nanopaste

Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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