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Bioengineering

Stampa planare e tridimensionale di inchiostri conduttivi

doi: 10.3791/3189 Published: December 9, 2011

Summary

Stampa planare e tridimensionale di inchiostri conduttivi metallici è descritto. Il nostro approccio offre nuove strade per la realizzazione di stampati elettronici, optoelettronici e dispositivi biomedici nei layout insolito alla microscala.

Abstract

Elettronica stampata si affidano a basso costo, grandi superfici per creare percorsi di fabbricazione flessibili o multidimensionali elettronici, optoelettronici e dispositivi biomedici 1-3. In questo lavoro, ci concentriamo su un-(1D), due-(2D) e tridimensionali (3D) stampa di inchiostri conduttivi metallici a forma di microelettrodi flessibile, elastico, e si estende.

Diretta-scrittura di montaggio 4,5 è un 1-a-3D tecnica di stampa che permette la realizzazione di funzioni che vanno da linee semplici a strutture complesse per la deposizione di inchiostri concentrati attraverso ugelli fine (~ 0,1-250 micron). Questo metodo di stampa è costituito da un computer controllato a 3 assi fase di traduzione, un serbatoio di inchiostro e di ugello, e 10x lente telescopica per la visualizzazione. A differenza della stampa a getto d'inchiostro, una gocciolina processo basato, diretta-scrittura di assemblaggio comporta l'estrusione di filamenti d'inchiostro sia in o out-of-plane. I filamenti di solito stampato conforme alle dimensioni dell'ugello. HENCe, caratteristiche microscala (<1 micron) possono essere stampati e assemblati in grandi array multidimensionali e architetture.

In questo lavoro, abbiamo prima sintetizzare un inchiostro ad alta concentrazione di nanoparticelle d'argento per la stampa planare e 3D via diretta-scrittura di montaggio. Poi, un protocollo standard per la stampa microelettrodi in motivi multidimensionale è dimostrata. Infine, le applicazioni di microelettrodi per antenne stampate elettricamente piccole celle solari e diodi emettitori di luce sono evidenziati.

Protocol

1. Introduzione

  1. Questo documento dimostra la 1D, 2D, 3D e la stampa di microelettrodi conduttivo via diretta-scrittura di montaggio.
  2. Diretta-scrittura di montaggio è un metodo di creazione di strutture stampate 1D-to-3D dalla deposizione di inchiostri concentrati attraverso ugelli fine.
  3. Il nostro sistema è costituito da un computer controllato a 3 assi fase di traduzione, un serbatoio di inchiostro e di ugello, e 10x lente telescopica per l'imaging (Figura 1).
  4. Diretta-scrittura di montaggio è un approccio di stampa filamentosi in cui sono concentrati gli inchiostri estruso attraverso ugelli cilindrici, i cui diametri vanno dal 0,1-250 micron (Figura 2). In particolare, a causa delle caratteristiche di inchiostro il viscoelastico, diretto-scrittura di montaggio consente autoportante caratteristiche spanning (Figura 3). Fino ad oggi, una vasta gamma di inchiostri, compresi quelli composti da ceramica 6,7, 8-10 organici, metallici 11-15, polimerici 16,17, e sol-gel 18,19 materiali sono statisviluppato per questo approccio stampa (Figura 4).

2. Preparazione di inchiostri ad alta concentrazione di nanoparticelle d'argento

  1. Gli inchiostri di nanoparticelle d'argento sono preparati per prima cosa sciogliere una miscela di 5.000 e 50.000 peso molecolare di poli (acido acrilico) in una miscela di 50 g di acqua e 40 g dietanolammina (Video 2.1).
  2. Il polimero si comporta come un agente di capping per controllare le dimensioni delle nanoparticelle d'argento.
  3. Quindi, una soluzione acquosa di nitrato d'argento viene iniettato nella soluzione polimerica. Dopo l'aggiunta, una luce gialla trasparente soluzione si ottiene (Video 2.2).
  4. Dopo aver agitato per 24 ore a temperatura ambiente, la soluzione sviluppa un colore bruno-rossastro (Video 2.3), che coincide con la formazione di nanoparticelle d'argento del diametro 5 nm, determinata mediante microscopia elettronica a trasmissione.
  5. Quindi, la soluzione è sonicato a 65 ° C a bagnomaria per 2 ore per la crescita ulteriore di particelle (Video 2.4).
  6. After sonicazione, la soluzione è trasferito in un bicchiere da 500 ml e raffreddato a temperatura ambiente. Allora da 300 ml di etanolo è titolato ad una velocità di 30 ml / min. Dal momento che l'etanolo è un solvente poveri per il poli (acido acrilico) agente di capping, le particelle di coagulare rapidamente e precipitare dalla soluzione (Video 2.5).
  7. Dopo la decantazione il surnatante, il precipitato è raccolto in una provetta da centrifuga e centrifugati a 9000 rpm per 20 minuti (Video 2.6).
  8. Dopo questo passaggio, un inchiostro ad alta concentrazione di nanoparticelle d'argento con un solido carico di ~ 85% in peso si ottiene (Video 2.7).
  9. Un ulteriore controllo sulla viscosità dell'inchiostro e modulo elastico può essere ottenuto mediante diluizione, seguiti da omogeneizzazione. Per un esempio, una soluzione umettante, come ad esempio glicole etilenico, può essere aggiunto l'inchiostro e poi omogeneizzato a 2000 giri al minuto 3 minuti utilizzando un mixer Thinky omogeneizzazione. Dopo questo processo, un inchiostro uniforme di un colore bluastro al magenta si ottiene (Video 2.8).
  10. L'immagine TEM mostrananoparticelle d'argento ottenute da questa procedura di sintesi (Figura 5_left). Le particelle hanno un diametro medio di 20 nm con una distribuzione delle dimensioni di 50-50 nm. Strutture stampate richiedono post-ricottura per migliorare la loro conducibilità. Dopo la ricottura a 250 ° C per meno di 30 minuti, le nanoparticelle d'argento forma microelettrodi conduttivo con una resistività elettrica si avvicina al 10 -5 Ω • cm (figura a destra 5_bottom). L'evoluzione microstrutturale dei microelettrodi argento stampato in funzione della temperatura di ricottura è mostrato nella figura a destra 5_top. Quando la temperatura aumenta da 150 ° a 550 ° C, la densificazione con microelettrodi subiscono una contrazione volumetrica totale di ~ 30% 11.
  11. La reologia inchiostro, che dipende fortemente dal suo carico di solidi, ne determina la stampabilità. L'inchiostro viscosità aumenta con l'aumentare del carico di solidi (Figura 6). Perché diluire gli inchiostri a bassa viscosità con risultato in una significativa diffusione laterale, Concentrazioneinchiostri ated con un carico di solidi da 70 a 85% in peso sono necessari per la stampa di filamenti inchiostro planari e si estende.
  12. L'inchiostro modulo elastico aumenta con l'aumentare del carico di solidi (Figura 7). Nella regione viscoelastico lineare, il modulo elastico aumenta di quasi tre ordini di grandezza come i solidi di carico aumenta 60 al 75% in peso. Un modulo elastico minimo di 2000 Pa è necessaria per produrre autoportanti o spanning caratteristiche.

3. Diretta-scrittura di assemblaggio

  1. Diretta-scrittura assemblaggio è effettuato da caricare prima l'inchiostro in una siringa. Dopo aver fissato un ugello di deposizione, l'inchiostro-caricati siringa è montato sul 3-asse fase di stampa (Video 3.1).
  2. Usando un programma per computer, i disegni arbitrari, compresi lineari, planari e complesse strutture tridimensionali possono essere facilmente generati (Video 3.2).
  3. Successivamente, l'altezza dell'ugello viene regolata con l'ausilio di lente del telescopio con uno zoom 10x (Video 3.3). Dopo l'applicazione di pressione utilizzando un impianto di alimentazione del sistema di distribuzione dei fluidi, l'inchiostro si deposita sul substrato, con una velocità di stampa controllata (Video 3.4). La pressione necessaria dipende reologia inchiostro, diametro dell'ugello e la velocità di stampa, ma i valori tipici gamma 10-100 psi a 20-500 micron / s. Questa stampa viene eseguita in aria a temperatura ambiente. Utilizzando questa procedura di stampa, la stampa di microelettrodi d'argento in diversi layout e scale di grandezza è dimostrata.
  4. Per un esempio, la stampa di griglie d'argento conduttiva con un centro a centro interlinea di 100 micron, modellata da un ugello di 5 micron su un substrato di wafer di silicio è dimostrato (Video 3.5).
  5. Inoltre, questo video mostra come creare una struttura di alto rapporto di aspetto cilindrico da un ugello di 30 micron utilizzando un layer-by-layer metodo di stampa (Video 3.6).
  6. Inoltre, la stampa omnidirezionale di microelettrodi d'argento tra due substrati di vetro compensato da un altezza di 1 mm difference è dimostrato utilizzando un ugello di 30 micron (Video 3.7).
  7. Completamente free-standing, microspikes argento verticalmente stampata può essere creato da un ugello di 30 micron su un substrato di wafer silicio (Video 3.8).
  8. Infine, questo video mostra la scrittura diretta di un microelettrodo argento si estende con un 10-micron ugello (Video 3.9). La funzione stampata può coprire distanze fino a uno centimetri con un minimo cadenti o deformazione.

4. Rappresentante dei risultati:

Abbiamo preparato una inchiostri ad alta concentrazione di nanoparticelle d'argento e ha dimostrato caratteristiche di conduttore stampato in motivi planare e 3D per applicazioni elettroniche e optoelettronici con risoluzione di stampa ~ 2-30 micron. Per un esempio, Figura 8 mostra la risoluzione di stampa di questa tecnica. Caratteristiche stampati con larghezza minima di elettrodi di circa 2 micron (1,4 micron di spessore) si ottengono in un unico passaggio con un 1-micron ugello 11.

Figura 9 mostranos griglie argento conduttivo trasparente, modellata da un ugello di 5 micron su una pellicola flessibile poliammide 12. I testi sotto le griglie stampate sono chiaramente visibili. Queste griglie argento trasparente potevano essere alternative interessanti per lo svolgimento di ossido trasparente (TCO) dei materiali.

Conformazionale stampa su una non-planare substrati viene attivato anche da questo metodo. Figura 10 mostra la stampa conformazionale di un'antenna 3D elettrico di piccole dimensioni. A 100 micron ugello in metallo consente di stampare meandro-line i modelli sulla superficie di un bicchiere emisfero 13. Questo approccio può trovare numerose applicazioni tra cui antenne impiantabili e portabili, elettronica e sensori.

Applicazioni di microelettrodi d'argento si estende in tre dimensioni fotovoltaico e diodi luminosi sono dimostrati (Figura 11-14).

In primo luogo, figura 11 è un esempio di guscio di silicio sferica. Questo film tenue con un 2-micron thickness può essere filo-legato ad un circuito esterno di stampa omnidirezionale 14. Questo metodo utilizza la pressione minima di contatto, che è molto vantaggioso per i dispositivi delicati.

Successivamente, figura 12 mostra un esempio di stampa di una interconnessione si estende per una vasta microcelle solari al silicio in cui sono separati silicio elementi microribbon da 33 micron-gap 15.

Successivamente, figura 13 mostra d'argento interconnessioni per l'arseniuro di gallio-array basato LED con 4-by-4 pixel, in cui ciascun pixel (500 x 500 x 2,5 micron 3) è spaziato 200 micron oltre 11. L'immagine in basso mostra la matrice di LED, che emettono luce rossa uniforme sotto una polarizzazione applicata di 6 V da un singolo pixel. La capacità di stampare elettrodi spanning permette l'interconnessione multistrato senza l'uso di strati di supporto o sacrificale (foto sopra).

A dimostrazione finale, La figura 14 mostra le immagini SEM per il microfono complesso 3Dreticolo argento roperiodic stampato da un ugello di 5 micron.

Figura 1
Figura 1. Immagine ottico degli apparecchi diretto scrittura inchiostro.

Figura 2
Figura 2. Scrittura inchiostro diretta di una caratteristica filamentosi.

Figura 3
Figura 3. Scrittura diretta di inchiostro autoportanti caratteristiche spanning.

Figura 4
Figura 4. Disegni di inchiostro per la scrittura di inchiostro diretto. Una vasta gamma di inchiostri viscoelastico concentrato sono stati sviluppati per la scrittura diretta di strutture 3D planari e complessi con caratteristiche di microscala.

Figura 5
Figura 5. (Sinistra), microscopia elettronica a trasmissione (TEM) immagine di nanoparticelle d'argento. (In alto a destra) SEM immagini di microelettrodi in argento modellato con un ugello di 15 micron in funzione della temperatura di ricottura. (In basso a destra) resistività elettrica di microelettrodi d'argento in funzione della temperatura e tempo di ricottura.

Figura 6
Figura 6. Viscosità apparente (η), degli inchiostri nanoparticelle d'argento in funzione del carico solidi.

Figura 7
Figura 7. Shear modulo elastico (G ') in funzione dello sforzo di taglio per gli inchiostri di nanoparticelle d'argento di varia carico solidi.

Figura 8
Figura 8. Immagini SEM delle matrici di microelettrodi planari argento modellatasu un wafer di silicio con un ugello di 1 micron.

Figura 9
Figura 9. Ottica delle immagini di griglie argento trasparente conduttivo (a sinistra) e le immagini SEM delle griglie stampate in funzione del passo della linea (a destra).

Figura 10
Figura 10. Ottica delle immagini catturate durante la stampa conformazionale di antenne elettricamente piccolo su un substrato di vetro emisferica.

Figura 11
Figura 11. Ottica delle immagini ottenute durante la stampa di microelettrodi d'argento si estende su una sottile (2-micron) guscio di silicio sferica.

Figura 12
Figura 12. Immagine SEM di un microelettrodo argento si estende stampato su un silicio in modolare Microcell array.

Figura 13
Figura 13. Immagini SEM (in alto) e immagine ottico (in basso) di un-4 by-4 serie chip LED collegati tra loro da microelettrodi d'argento.

Figura 14
Figura 14. Immagine SEM di reticolo argento microperiodic 3D.

Discussion

Convenzionali goccia approcci basati stampa, come la stampa a getto d'inchiostro, sono limitate alla realizzazione di elettrodi planari con aspect ratio bassa a causa della natura diluire e bassa viscosità degli inchiostri utilizzati. Recentemente, dip-pen nanolitografia (DPN) e 20-22 e 23-25 ​​a getto d'inchiostro sono stati utilizzati per funzioni di modello conduttivo. Questi percorsi utilizzano anche diluire, inchiostri a bassa viscosità. Pearton e collaboratori utilizzati DPN per depositare un normale inchiostro nanoparticelle d'argento alla velocità di scrittura fino a 1600 micron s -1 e larghezze di linea di circa 0,5 micron 22. Tuttavia, la fabbricazione di modelli riproducibili su grandi aree deve ancora essere dimostrato da questo approccio. Gli inchiostri di nanoparticelle d'argento sono stati depositati per posta a getto d'inchiostro per formare le tracce conduttive con larghezza delle linee di ~ 1,5 micron 25. Tuttavia, come con la stampa a getto d'inchiostro, stampate caratteristiche disomogenee possono insorgere a causa della formazione di gocce satellite e non uniforme goccia drying 24,25.

Come dimostrato sopra, diretta-scrittura assemblaggio di inchiostri concentrati nanoparticelle d'argento supera questi limiti attraverso un approccio basato filamentosi stampa. Questa tecnica permette la fabbricazione di microelettrodi conduttivo con un aspect ratio alta (h / w ≈ 1,0) in un singolo passaggio permettendo la creazione di codici 1D, 2D, 3D e architetture. La dimensione delle caratteristiche stampata dipende diametro dell'ugello, inchiostro di carico solidi, pressione applicata, e velocità di stampa. Ad oggi, le tracce conduttive piccolo come ~ 2 micron sono stati modellati utilizzando un ugello 1 micron a velocità modesta (<2 mm s -1). Adattando la composizione dell'inchiostro e la geometria degli ugelli, la velocità di stampa massime superiori a -1 10 cm s sono possibili. Tuttavia, la stampa ad alta velocità di utilizzare ugelli fine (<5 micron) rimane una sfida significativa.

Per dimostrare di applicazioni diretta-scrittura di assemblaggio, abbiamo inventato griglie conduttrici, elantenne ectrically piccole celle solari e diodi emettitori di luce con elettrodi planari stampata e si estende (figura 8-14). In particolare, il nostro approccio non si limita alla creazione di strutture metalliche. Utilizzando i disegni di inchiostro, diversi, come quelli basati su fibroina di seta, idrogel e latitante inchiostri organici, abbiamo costruito ponteggi e reti microvascolare 3D per l'ingegneria tissutale e colture cellulari via diretta-scrittura di montaggio 26-30.

Guardando al futuro, ci sono molte opportunità e sfide. Ulteriori progressi richiedono design nuovo inchiostro, una migliore modellazione delle dinamiche del flusso d'inchiostro, e la realizzazione di sistemi robotici e di controllo. Ampia superficie fabbricazione di strutture 1D a 3D con un throughput elevato e risoluzione nanometrica (<100 nm) rimane una sfida significativa.

Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Acknowledgments

Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Scienze dei Materiali e Ingegneria Divisione (n ° Premio DEFG-02-07ER46471) e il DOE Energy Center ricerca sulle interazioni luce-Materiali in Energy Conversion (Premio n ° DE-SC0001293 ), e ha beneficiato di accesso al Centro per la microanalisi dei materiali all'interno del Frederick Seitz Materials Research Laboratory (FSMRL).

Materials

Name Company Catalog 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 Inc. 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 Made - Mingjie Xu

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