Summary
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.
Abstract
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.
Protocol
1. Innledning
- Dette papiret demonstrerer 1D, 2D og 3D printing av ledende microelectrodes via direkte skrive montering.
- Direkte skrive montering er en metode for å bygge opp 1D-til-3D trykte strukturer ved avsetning av konsentrert blekk gjennom fine dyser.
- Vårt system består av en datastyrt 3-akse oversettelse scenen, en blekk reservoar og munnstykke, og 10x teleskopiske linse for imaging (figur 1).
- Direkte skrive montering er en filamentary utskrift tilnærming der konsentrerte blekk er ekstrudert gjennom sylindriske dyser, som diametre rekkevidde 0,1 til 250 mikrometer (figur 2). Spesielt på grunn av viscoelastic blekket egenskaper, muliggjør direkte skrive montering selvbærende spenner funksjoner (figur 3). Til dags dato har et bredt utvalg av blekk, inkludert de består av keramiske 6,7, organisk 80-10, 11-15 metallic, 16,17 polymere, og sol-gel 18,19 materialer blittutviklet for denne utskrift tilnærming (figur 4).
2. Utarbeidelse av høykonsentrert sølv nanopartikkel blekk
- Silver nanopartikkel blekk er utarbeidet av første oppløse en blanding av 5000 og 50.000 molekylvekt av poly (akryl syre) i en blanding av 50 g vann og 40 g dietanolamin (Video 2.1).
- Den polymer fungerer som en tildekking agent for å kontrollere størrelsen på sølv nanopartikler.
- Deretter er en vandig løsning av sølvnitrat injiseres i polymer løsning. Etter tillegg er en lys gul gjennomsiktig løsning innhentet (Video 2.2).
- Etter omrøring i 24 timer ved romtemperatur, utvikler løsningen en rødbrun farge (Video 2.3), som faller sammen med dannelsen av sølv nanopartikler av 5 nm diameter, som bestemmes av transmisjonselektronmikroskopi.
- Neste, er løsningen sonicated ved 65 ° C i vannbad i 2 timer for videre partikkel vekst (Video 2.4).
- After sonikator, er løsningen overført til et 500 ml begerglass og avkjøles til romtemperatur. Deretter er 300 ml etanol titreres med en hastighet på 30 ml / min. Siden etanol er en dårlig løsemiddel for poly (acrylic acid) capping agent, partikler raskt koagulere og bunnfallet fra løsningen (Video 2.5).
- Etter dekantering supernatanten, blir bunnfallet samles i en sentrifugerør og sentrifugeres ved 9000 rpm i 20 minutter (Video 2.6).
- Etter dette trinnet, er en svært konsentrert sølv nanopartikler blekk med en tørrstoff lasting av ~ 85 vekt% oppnådd (Video 2.7).
- Ytterligere kontroll over blekk viskositet og elastisitetsmodul kan oppnås ved fortynning, etterfulgt av homogenisering. For eksempel kan en fuktgiver løsning, som etylenglykol, legges til blekk og deretter homogenisert ved 2000 rpm i 3 minutter med et Thinky homogenisering blandebatteri. Etter denne prosessen, er en uniform blekk av en blåaktig til magenta farge innhentet (Video 2.8).
- Den TEM bildet visersølv nanopartikler oppnås ved denne syntesen prosedyre (figur 5_left). Partiklene har en gjennomsnittlig diameter på 20 nm med en størrelse fordeling av 50-50 nm. Trykt strukturer krever post-annealing å forbedre sine ledningsevne. Etter annealing ved 250 ° C for mindre enn 30 min, sølvet nanopartikler danne ledende microelectrodes med en elektrisk resistivitet nærmer seg 10 -5 Ω • cm (figur 5_bottom høyre). Den mikrostruktur utviklingen av den trykte sølv microelectrodes som en funksjon av annealing temperaturen er vist i figur 5_top rett. Ettersom temperaturen øker fra 150 ° til 550 ° C, den microelectrodes gjennomgå fortetting med totalt volumetrisk krymping av ~ 30%. 11
- Blekket reologi, som sterkt avhengig av sin faste lasting, avgjør dens trykkbarhet. Blekket viskositeten øker med økende lasting av faste stoffer (figur 6). Fordi fortynne blekk med lav viskositet resultere i en betydelig lateral spredning, konsentrasjonerrerte blekk med lasting av faste stoffer som spenner 70-85 wt% er nødvendig for trykking av planar og spenner blekk filamenter.
- Blekket elastisitetsmodul øker med økende lasting av faste stoffer (figur 7). I den lineære viskoelastiske regionen, stiger elastisitetsmodul nesten tre størrelsesordener som lasting av faste stoffer øker 60-75 wt%. Et minimum elastisitetsmodul av 2000 Pa er nødvendig for å produsere selvbærende eller spenner funksjoner.
3. Direkte skrive montering
- Direkte skrive montering utføres av første lasting av blekket i en sprøyte fat. Etter at en deponering dyse, er ink-loaded sprøytesylinderen montert på 3-akse utskrift stadiet (Video 3.1).
- Ved hjelp av et dataprogram, vilkårlig design, inkludert lineære, kan plane, og komplekse tredimensjonale strukturer lett genereres (Video 3.2).
- Neste, er munnstykket høyden justeres med hjelp av teleskop-objektiv med 10x zoom (Video 3.3). Etter at trykket ved hjelp av en luft-drevet væske dispensing system, er blekket deponeres på underlaget med en kontrollert utskriftshastighet (Video 3.4). De nødvendige trykket avhenger blekk reologi, dyse diameter, og utskriftshastighet, men typiske verdier utvalg 10-100 psi på 20-500 mikrometer / s. Denne utskriften er utført i luft ved romtemperatur. Ved hjelp av denne utskriften prosedyren, er utskrift av sølv microelectrodes i forskjellige oppsett og størrelse skalaer demonstrert.
- For eksempel er utskrift av ledende sølv nett med et senter til senter linjeavstand på 100 mikrometer, mønstret av en 5-mikrometer dyse på en silisium wafer substrat demonstrert (Video 3.5).
- I tillegg viser denne videoen hvordan du oppretter et høyt sideforhold sylindrisk struktur med en 30-mikrometer dyse ved hjelp av en lag-by-lags utskrift metode (Video 3.6).
- Videre rundstrålende trykking av sølv microelectrodes mellom to glass underlag oppveid av en 1 mm høyde difference er demonstrert ved hjelp av en 30-mikrometer dyse (Video 3.7).
- Helt frittstående, kan vertikalt trykte sølv microspikes være skapt av en 30-mikrometer dyse på en Si wafer substrat (Video 3.8).
- Til slutt, viser denne videoen direkte skriving av en spenner sølv microelectrode hjelp av en 10-mikrometer dyse (Video 3.9). Den trykte funksjonen kan span avstander opp til en centimeter med minimal hengende eller knekning.
Fire. Representative resultater:
Vi utarbeidet en svært konsentrert sølv nanopartikkel blekk og demonstrert trykt ledende funksjoner i plane og 3D motiver for elektroniske og optoelektroniske søknader med utskriftsoppløsning ~ 2-30 mikrometer. For et eksempel, Figur 8 viser utskriftsoppløsningen av denne teknikken. Trykt funksjoner med minimum elektrode bredde ~ 2 mikrometer (1,4 mikrometer tykke) er innhentet i én omgang med en 1-mikrometer dyse 11.
Figur 9 viserer transparent ledende sølv rutenett, mønstret av en 5 mikrometer dyse på en fleksibel polyimid film 12. Tekstene under trykte nett er klart synlige. Disse gjennomsiktig sølv nett kunne være attraktive alternativer for transparent gjennomføre oksid (TCO) materialer.
Konforme utskrift på en ikke-planar underlag er også aktivert med denne metoden. Figur 10 demonstrerer konforme utskrift av en 3D elektrisk liten antenne. En 100 mikrometer metall dyse brukes til å skrive meander-line mønster på overflaten av et glass halvkule 13. Denne tilnærmingen kan finne flere programmer, inkludert implanterbare og bærbare antenner, elektronikk og sensorer.
Anvendelser av spenner sølv microelectrodes i tre-dimensjonale Solcellepanel og light-emitting diodes er demonstrert (figur 11-14).
Først er Figur 11 et eksempel på silisium sfærisk skall. Dette tynn film med en 2-mikrometer thickness kan være wire-bundet til en ekstern krets av rundstrålende skrive 14. Denne metoden bruker minimalt med kontakt trykk, noe som er svært fordelaktig for delikat enheter.
Deretter demonstrerer Figur 12 et eksempel på utskrift av en spenner interconnect for en silisium solenergi microcell array der silisium microribbon elementer som er atskilt med 33-mikrometer gap 15.
Deretter Figur 13 viser sølv sammenkoblinger for galliumarsenid-baserte LED array med 4-by-4 piksler, der hver piksel (500 x 500 x 2,5 mikrometer 3) er plassert 200 mikrometer fra hverandre 11. Den nederste bildet viser LED array, emitting uniform rødt lys under en anvendt skjevhet på 6 V fra en enkelt piksel. Muligheten til å skrive ut spenner elektrodene gjør flerlags samtrafikk uten bruk av støtte eller oppofrende lag (øverst bilder).
Som en siste demonstrasjon, Figur 14 viser SEM bilder for komplekse 3D microperiodic sølv gitteret skrevet av en 5μm dyse.
Figur 1. Optisk bilde av direkte blekk skrive apparater.
Figur 2. Direct blekk skriving av en filamentary funksjonen.
Figur 3. Direct blekk skrivingen av selvbærende spenner funksjoner.
Figur 4. Ink design for direkte blekk skriving. Et bredt spekter av konsentrert viscoelastic blekk er utviklet for direkte skriving av planar og komplekse 3D-strukturer med mikroskala funksjoner.
Figur 5. (Venstre) Transmission elektronmikroskopi (TEM) bilde av sølv nanopartikler. (Øverst til høyre) SEM bilder av sølv microelectrodes mønstret med en 15-mikrometer dyse som en funksjon av annealing temperatur. (Nederst til høyre) Elektrisk resistivitet av sølv microelectrodes som en funksjon av annealing temperatur og tid.
Figur 6. Tilsynelatende viskositet (η) av sølv nanopartikler blekk som en funksjon av tørrstoff lasting.
Figur 7.. Shear elastisitetsmodul (G ') som en funksjon av skjærspenning for sølv nanopartikkel blekk av varierende tørrstoff lasting.
Figur 8. SEM bilder av planar matriser av sølv microelectrodes mønstredepå en Si wafer med en 1-mikrometer dyse.
Figur 9. Optisk bilde av transparent ledende sølv nett (til venstre) og SEM bilder av nett trykte som en funksjon av linje pitch (høyre).
Figur 10. Optisk bilde tatt under konforme utskrift av elektrisk små antenner på et halvkuleformet glass substrat.
Figur 11.. Optisk image innhentet under trykking av spenner sølv microelectrodes på en tynn (2-mikrometer) silisium sfæriske skall.
Figur 12. SEM bilde av en som strekker seg over sølv microelectrode trykket på en silisium såLar microcell array.
Figur 13. SEM-bilder (øverst) og optisk image (nederst) av en 4-by-4 LED chip array sammen av sølv microelectrodes.
Figur 14. SEM bilde av 3D microperiodic sølv gitter.
Discussion
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.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklært.
Acknowledgments
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).
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 |
References
- Chrisey, D. B. The power of direct writing. Science. 289, 879-881 (2000).
- Sirringhaus, H. High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits. Science. 290, 2123-2126 (2000).
- Kim, R. -W. Waterproof AllnGaP optoelectronics on stretchable substrates with applications in biomedicine and robotics. Nat. Mater. 9, 929-937 (2010).
- Lewis, J. A., Gratson, G. M. Direct writing in three dimensions. Mater. Today. 7, 32-39 (2004).
- Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Adv. Funct. Mater. 16, 2193-2204 (2006).
- Lewis, J. A., Smay, J. E., Stuecker, J., Cesarano, J. Direct ink writing of three-dimensional ceramic structures. J. Am. Ceram. Soc. 89, 3599-3609 (2006).
- Smay, J. E., Gratson, G. M., Shepherd, R. F., Sesarano, J., Lewis, J. A. Directed colloidal assembly of 3D periodic structures. Adv. Mater. 14, 1279-1283 (2002).
- Therriault, D., White, S. R., Lewis, J. A. Chaotic mixing in three-dimensional microvascular networks fabricated by direct-write assembly. Nat. Mater. 2, 265-271 (2003).
- Hansen, C. J., Wu, W., Toohey, K. S., Sottos, N. R., White, S. R., Lewis, J. A. Self-healing materials with interpenetrating microvascular networks. Adv. Mater. 21, 4143-4147 (2009).
- Therriault, D., Shepherd, R. F., White, S. R., Lewis, J. A. Fugitive ink for direct-write assembly of three-dimensional microvascular networks. Adv. Mater. 17, 395-399 (2005).
- Ahn, B. Y. Omnidirectional printing of flexible, stretchable, and spanning silver microelectrodes. Science. 323, 1590-1593 (2009).
- Ahn, B. Y., Lorang, D. J., Lewis, J. A. Transparent conductive grids via direct writing of silver nanoparticle inks. Nanoscale. 3, 2700-2702 (2011).
- Adams, J. J. Conformal printing of electrically small antennas on three-dimensional surfaces. Adv. Mater. 23, 1335-1340 (2011).
- Guo, X. Two- and three-dimensional folding of thin film single-crystalline silicon for photovoltaic power applications. PNAS. 106, 20149-20154 (2009).
- Yoon, J. Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs. Nat. Mater. 7, 907-915 (2008).
- Gratson, G. M., Xu, M., Lewis, J. A. Direct writing of three-dimensional webs. Nature. 428, 386-386 (2004).
- Lebel, L. L., Aissa, B., Khakani, M. A. E., Therriault, D. Ultraviolet-assisted direct-write fabrication of carbon nanotube/polymer nanocomposite microcoils. Adv. Mater. 22, 592-596 (2010).
- Ahn, B. Y., Lorang, D. J., Duoss, E. B., Lewis, J. A. Direct-write assembly of microperiodic planar and spanning ITO microelectrodes. Chem. Commun. 46, 7118-7120 (2010).
- Duoss, E. B., Twardowski, M., Lewis, J. A. Sol-gel inks for direct-write assembly of functional oxides. Adv. Mater. 19, 3485-3489 (2007).
- Salaita, K., Wang, Y. H., Mirkin, C. A. Application of dip-pen nanotechnology. Nat. Nanotech. 2, 145-155 (2007).
- Zhang, H., Lee, K. -B., Li, Z., Mirkin, C. A. Biofunctionalized nanoarrays of inorganic structures prepared by dip-pen nanolithography. Nanotechnology. 14, 1113-1117 (2003).
- Hung, S. -C. Dip-pen nanolithography of conductive silver traces. J. Phys. Chem. C. 114, 9672-9677 (2010).
- Park, J. -U. High-resolution electrohydrodynamic jet printing. Nat. Mater. 6, 782-789 (2007).
- Schirmer, N. C. On ejecting colloids against capillarity from sub-micrometer openings: On-demand dielectrophoretic nanoprinting. Adv. Mater. 22, 4701-4705 (2010).
- Park, J. -U. electrofield liquid jets for high-resolution printing of charge. Nano. Lett. 10, 584-591 (2010).
- Ghosh, S. Direct-write assembly of micro-periodic silk fibroin scaffolds for tissue engineering applications. Adv. Funct. Mater. 18, 1883-1889 (2008).
- Barry, R. A. Direct-write assembly of 3D hydrogel scaffolds for guided cell growth. Adv. Mater. 21, 2407-2410 (2009).
- Shepherd, J. N. H. 3D microperiodic hydrogel scaffolds for robust neuronal cultures. Adv. Mater. 21, 47-54 (2011).
- Wu, W. Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport. Soft. Matter. 6, 739-742 (2010).
- Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks. Adv. Mater. 23, H178-H183 (2011).
