Planar og tre-dimensjonale utskrift av ledende metallisk blekk er beskrevet. Vår tilnærming gir nye veier for fabrikkere trykte elektroniske, optoelektroniske, og biomedisinsk enheter i uvanlig oppsett på mikroskala.
Trykt elektronikk stole på lave kostnader, store-området fabrikasjon rutene for å skape fleksible eller flerdimensjonale elektronisk, optoelektroniske, og biomedisinsk enheter 1-3. I denne artikkelen fokuserer vi på one-(1D), to-(2D) og tredimensjonale (3D) utskrift av ledende metallisk blekk i form av fleksible, elastisk og strekker microelectrodes.
Direkte skrive montering 4,5 er en 1-til-3D-utskrift teknikk som muliggjør fabrikasjon av funksjoner som spenner fra enkle linjer til komplekse strukturer ved avsetning av konsentrert blekk gjennom fine dyser (~ 0,1 til 250 mikrometer). Denne utskrift metoden består av en datastyrt 3-akse oversettelse scenen, en blekk reservoar og munnstykke, og 10x teleskopiske linse for visualisering. I motsetning til blekkskrivere, en dråpe-basert prosess, innebærer direkte skrive montering av ekstrudering av blekk filamenter enten i eller ut-av-planet. Den trykte filamenter vanligvis samsvare med dysen størrelse. Hence, kan mikroskala funksjoner (<1 mm) være mønstrede og settes sammen til større matriser og flerdimensjonale arkitekturer.
I denne artikkelen, må vi først syntetisere en svært konsentrert sølv nanopartikkel blekk for Planar og 3D-utskrift via direkte skrive montering. Deretter er en standard protokoll for utskrift microelectrodes i flerdimensjonale motiver demonstrert. Endelig er programmer av trykte microelectrodes for elektrisk små antenner, solceller, og light-emitting diodes uthevet.
Konvensjonelle dråpen-basert utskrift tilnærminger, for eksempel blekkutskrifter, er begrenset til fabrikasjon av planar elektroder med lav sideforhold på grunn av fortynne natur og lav viskositet av blekk brukes. Nylig har dip-penn nanolithography (DPN) 20-22 og e-jet utskrift 23-25 blitt brukt til mønster ledende funksjoner. Disse rutene også ansette fortynne, lav viskositet blekk. Pearton og medarbeidere brukt DPN å deponere et kommersielt tilgjengelig sølv nanopartikkel blekk på skrive hastigheter på opptil 1600 mikrometer s -1 og linje bredder på ca 0,5 mikrometer 22. Imidlertid har fabrikasjon av reproduserbar mønstre over store områder som ennå ikke er demonstrert av denne tilnærmingen. Silver nanopartikkel blekk har også blitt avsatt av e-jet utskrift å danne ledende rester med linje bredder på ~ 1,5 mikrometer 25. Men som med blekkskrivere, kan inhomogene trykt funksjoner oppstå på grunn av satellitt droppe formasjon og ikke-uniform slippe dbalanseført 24,25.
Som vist ovenfor, direkte skrive montering av konsentrert sølv nanopartikkel blekk overvinner disse begrensningene gjennom en filamentary-basert utskrift tilnærming. Denne teknikken gjør det mulig for fabrikasjon av ledende microelectrodes med høyt sideforhold (h / w ≈ 1,0) i en enkelt passerer tillater opprettelsen av 1D, 2D og 3D-arkitekturer. Størrelsen på trykte funksjoner avhenger dyse diameter, blekk lasting av faste stoffer, anvendt press, og utskriftshastigheten. Til dags dato, ledende spor så lite som ~ 2 mikrometer har blitt mønstret med en 1 mikrometer dyse på beskjedne hastigheter (<2 mm s -1). Ved å skreddersy blekket sammensetning og dyse geometri, maksimal utskriftshastighet i overkant av 10 cm s -1 er mulig. Er imidlertid fortsatt høy utskriftshastighet for å bruke fine dyser (<5 mikrometer) en betydelig utfordring.
For å demonstrere anvendelser av direkte skrive montering, fabrikkerte vi ledende rutenett, electrically små antenner, solceller, og light-emitting diodes med planar og spenner trykte elektroder (figur 8-14). Spesielt, er vår tilnærming ikke begrenset til etableringen av metalliske strukturer. Bruk av andre blekk design, for eksempel de som er basert på silke fibroin, hydrogel og rømling organisk blekk, har vi bygget 3D stillaser og mikrovaskulær nettverk for tissue engineering og cellekultur via direkte skrive montering 26-30.
Ser mot fremtiden, er det mange muligheter og utfordringer. Ytterligere fremskritt krever nytt blekk design, bedre modellering av blekk flyt dynamikk, og forbedret robot og styringssystemer. Stor-området fabrikasjon av 1D til 3D strukturer med høy gjennomstrømming og nanoskala oppløsning (<100 nm) er fortsatt en betydelig utfordring.
The authors have nothing to disclose.
Dette materialet er basert på arbeid støttet av US Department of Energy, Materialer Sciences and Engineering Division (Award nr. DEFG-02-07ER46471) og DOE Energy Research Center på Light-Materialer Interaksjon i Energy Conversion (Award nr. DE-SC0001293 ), og dro nytte av tilgang til Center for mikroanalyse of Materials innenfor 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 |