Planar og tre-dimensionelle udskrivning af ledende metalliske trykfarver er beskrevet. Vores tilgang giver nye muligheder for at opdigte trykte elektronisk, optoelektroniske og biomedicinsk udstyr i usædvanlige layout på mikroskala.
Trykt elektronik er afhængige af billige, store areal fabrikation ruter for at skabe fleksible eller multidimensional elektronisk, optoelektroniske og biomedicinsk udstyr 1-3. I dette papir, fokuserer vi på én-(1D), to-(2D), og tre-dimensionelle (3D) udskrivning af ledende metalliske farver i form af fleksible, strækbar, og spænder over mikroelektroder.
Direkte-write forsamling 4,5 er en 1-til-3D-print teknik, der gør det muligt for fabrikation af funktioner lige fra enkle linjer til komplekse strukturer af aflejring af koncentreret trykfarve gennem fine dyser (~ 0,1 til 250 m). Denne print metode består af en computer-styret 3-akse oversættelse etape, en blæk reservoir og dyse, og 10x teleskop-linse til visualisering. I modsætning til inkjet print, en dråbe-baseret proces med direkte skriver forsamling indebærer ekstrudering af blæk filamenter enten-eller out-of-plane. Den trykte filamenter typisk er i overensstemmelse med dysestørrelse. Hence, kan mikroskala funktioner (<1 μm) er mønstret og samles i større arrays og flerdimensionale arkitekturer.
I dette papir, vi først syntetisere en meget koncentreret sølv nanopartikler blæk til plane og 3D-print via direct-write forsamling. Dernæst er en standard-protokol til udskrivning mikroelektroder i flerdimensionale motiver demonstreret. Endelig er anvendelser af trykte mikroelektroder til elektrisk små antenner, solceller og lysemitterende dioder fremhævet.
Konventionelle dråbe-baserede print tilgange, såsom inkjet print, er begrænset til fremstilling af plane elektroder med lav formatforhold på grund af den fortyndede natur og lav viskositet af de anvendte trykfarver. For nylig har dip-pen Nanolithography (DPN), 20-22 og e-jet print 23-25 blevet brugt til at mønsteret ledende funktioner. Disse ruter også ansætte fortynde, lav viskositet blæk. Pearton og medarbejdere bruges DPN til at deponere en kommercielt tilgængelig sølv nanopartikler blæk på skrive hastigheder på op til 1600 μm s -1 og linjebredder af cirka 0,5 μm 22. Men, fabrikation af reproducerbare mønstre over store områder er endnu ikke påvises ved denne fremgangsmåde. Sølv nanopartikler blæk er også blevet deponeret af e-jet print til at danne ledende spor med linjebredder på ~ 1,5 μm 25. Men som med inkjet print, kan inhomogene trykt funktioner opstår på grund af satellit dråbedannelse og uensartet drop dregnskabsmæssige 24,25.
Som påvist ovenfor, direkte-write samling af koncentreret sølv nanopartiklers blæk overvinder disse begrænsninger gennem en filamentforstærkninger-baseret udskrivning tilgang. Denne teknik gør det muligt for fremstilling af ledende mikroelektroder med en høj størrelsesforhold (h / w ≈ 1,0) i en enkelt passerer tillader oprettelse af 1D, 2D og 3D-arkitekturer. Størrelsen af den trykte funktioner afhænger af dyse diameter, blæk faste stoffer lastning, anvendt tryk og print hastighed. Til dato, som ledende spor som små ~ 2 μm er mønstrede med en 1 μm dyse med beskedne hastigheder (<2 mm s -1). Ved at skræddersy blæk sammensætning og dyse geometri, maksimal printhastighed på over 10 cm s -1 er mulige. Men høj hastighed trykning af at bruge fine dyser (<5 m) er fortsat en stor udfordring.
For at demonstrere anvendelser af direkte skriver forsamling, vi fabrikeret ledende gitre, electrically små antenner, solceller og lysemitterende dioder med plane og spænder trykte elektroder (figur 8-14). Især er vores tilgang ikke begrænset til skabelsen af metalliske strukturer. Brug af andre blæk designs, såsom dem, der bygger på silke fibroin, hydrogel og flygtige organiske blæk, har vi konstrueret 3D scaffolds og mikrovaskulære netværk for vævsteknologi og cellekultur via direct-write samling 26-30.
Ser fremad, er der mange muligheder og udfordringer. Yderligere fremskridt kræver nye blæk design, bedre modellering af blæk flow dynamik og forbedret robot-og kontrolsystemer. Stor-området fabrikation af 1D til 3D-strukturer med høj kapacitet og nanoskala opløsning (<100 nm) er fortsat en stor udfordring.
The authors have nothing to disclose.
Dette materiale er baseret på arbejde med støtte fra det amerikanske Department of Energy, materialevidenskab og Engineering Division (Award No DEFG-02-07ER46471) og DOE Energy Research Center på Light-Materialer interaktioner i Energy Conversion (Award No DE-SC0001293 ), og nydt godt af adgang til Center for mikroanalyse af materialer inden for Frederick Seitz Materials Research Laboratory (FSMRL).
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments |
Poly(acrylic acid) | Polysciences, Inc. | 06519 | m.w. 5,000 g/mol |
Poly(acrylic acid) | Polysciences, Inc. | 00627 | m.w. 50,000 g/mol |
Silver nitrate | Sigma-Aldrich | 209139 | Silver source |
Diethanolamine | Sigma-Aldrich | D8885 | Solvent/Reducing agent |
Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 102466 | Humectant |
Sonicater | Fisher Scientific | FS30H | – |
Centrifuge | Beckman Coulter | AvantiTM J-25 I | – |
Robotic stage | Aerotech Inc. | ABL 900010 | 3-axis motion |
Syringe barrel | EFD Inc. | 5109LBP-B | 3 ml |
Nozzle | EFD Inc. | – | i.d. = 0.1 – 250 μm |
Dispenser | EFD Inc. | 800 | Air-powered |
Design software | Custom designed | – | Mingjie Xu |