Iletken metalik mürekkeplerin düzlemsel ve üç boyutlu baskı açıklanmıştır. Bizim yaklaşımımız imalatı basılı, elektronik, optoelektronik ve microscale alışılmadık düzenleri biyomedikal cihazlar için yeni yollar sağlar.
Yöntem makalesi
Iletken metalik mürekkeplerin düzlemsel ve üç boyutlu baskı açıklanmıştır. Bizim yaklaşımımız imalatı basılı, elektronik, optoelektronik ve microscale alışılmadık düzenleri biyomedikal cihazlar için yeni yollar sağlar.
Basılı elektronik, esnek ve çok boyutlu elektronik, optoelektronik ve 1-3 biyomedikal cihazlar oluşturmak için düşük maliyetli, geniş alan fabrikasyon yolları üzerinde güveniyor . Bu çalışmada, biz odaklanmak tek (1D), iki-iletken metalik mürekkepler, esnek, gerilebilir ve yayılan Mikroelektronlar şeklinde (2D) ve üç boyutlu (3D) baskı.
Montaj 4,5, ince ucu (~ 0.1 - 250 mikron) ile konsantre mürekkepleri birikimi ile basit çizgiler karmaşık yapılara kadar fabrikasyon özellikleri sağlayan bir 1-3D baskı tekniği olan Doğrudan yazma . Bu baskı yöntemi bilgisayar kontrollü 3-eksenli bir çeviri aşamasında, bir mürekkep haznesi ve meme ve görselleştirme için 10x teleskopik lens oluşur. Inkjet baskı aksine, bir damlacık tabanlı süreç, doğrudan-yazma montaj ya-ya da düzlem-ekstrüzyon mürekkep filamentler içerir. Basılı filamentler genellikle meme büyüklüğü için uygundur. Hence microscale özellikleri (<1 mm) daha büyük diziler ve çok boyutlu mimarileri desenli ve monte edilebilir.
Bu çalışmada, öncelikle doğrudan yazma montaj ile düzlemsel ve 3 boyutlu baskı için yüksek konsantrasyonlu gümüş nanoparçacık mürekkep sentezlerler. Sonra, çok boyutlu motiflerle baskı Mikroelektronlar için standart bir protokol olduğunu göstermiştir. Son olarak, elektrikli küçük anten, güneş hücreleri ve ışık yayan diyotlar için basılı Mikroelektronlar uygulamaları vurgulanır.
1. Giriş
2. Yüksek konsantrasyonlu gümüş nanoparçacık mürekkepleri hazırlanması
3. Direct-yazma montaj
4. Temsilcisi sonuçları:
Biz son derece konsantre bir gümüş nanoparçacık mürekkepleri hazırlanmış ve elektronik ve optoelektronik uygulamalar için baskı çözünürlüğü ~ 2 ve 3 boyutlu düzlemsel motiflerle iletken özellikleri baskılı gösterdi - 30 mm. Örneğin, bu tekniğin baskı çözünürlüğü Şekil 8 sergiler. 1 mikron nozul 11 kullanarak tek bir geçişte, ~ 2 mm (1.4 mikron kalınlığında) minimum elektrot genişliği ile basılmıştır özellikler elde edilir .
Şekil 9 gösterisi5 mikron nozul tarafından desenli esnek bir saydam iletken gümüş ızgaraları, film 12 poliimid. Basılı ızgaraları altında metinler açıkça görülebilir. Bunlar, şeffaf gümüş ızgaraları, saydam iletken oksit (TCO) malzemeler için cazip alternatifler olabilir.
Konform düzlemsel olmayan yüzeyler üzerine baskı da bu yöntemi etkindir. Şekil 10 3D elektrikle küçük bir anten konformal baskı göstermektedir. 100 mikron kalınlığında metal memesi cam bir yüzey yarımkürede 13 menderes-line kalıplarını yazdırmak için kullanılır. Bu yaklaşım, implante edilebilir ve giyilebilir antenler, elektronik, ve sensörler dahil olmak üzere çeşitli uygulamaları bulabilirsiniz.
Üç boyutlu fotovoltaik ve ışık yayan diyotlar yayılan gümüş Mikroelektronlar Uygulamaları (Şekil 11-14) göstermiştir.
İlk olarak, Şekil 11 silikon küresel kabuğun bir örnektir. Bu zayıf bir film 2 mikron thickness, Çok yönlü yazdırma 14 bir dış devre tel bağlı olabilir . Bu yöntem, hassas cihazlar için oldukça avantajlı olan minimal temas basıncı kullanır.
Daha sonra, Şekil 12, silikon microribbon elemanları 33 mikron boşluk 15 ile ayrılmış olan silikon güneş Microcell dizi kapsayan birbirine baskı bir örnek göstermektedir .
Daha sonra, Şekil 13 gümüş, 4-4 her piksel (500 x 500 x 2,5 mikron 3) 200 mikron dışında 11 aralıklı. Galyum arsenit tabanlı LED dizisi için birbirine En alttaki resim, tek bir piksel 6 V uygulamalı bir önyargı altında düzgün kırmızı ışık yayan LED dizisi görüntüler. Kapsayan elektrotlar baskı yapabilme özelliği, destekleyici ya da kurban katmanları (üst) olmadan çok katmanlı arabağlantı sağlar.
Gibi karmaşık 3D mikrofon için görüntüleri SEM nihai bir gösteri, Şekil 14 gösterirroperiodic gümüş kafes 5μm nozul tarafından basılan.

Şekil 1. Optik görüntü doğrudan mürekkep yazma aparatı.

Şekil 2 filamanlı bir özelliği doğrudan mürekkep yazılı.

Şekil 3. kendini destekleyen özellikleri kapsayan doğrudan mürekkep yazılı.

Şekil 4. doğrudan mürekkep yazmak için mürekkep tasarımlar. Konsantre viskoelastik mürekkepleri geniş bir yelpazede microscale özellikleri ile düzlemsel ve kompleks 3D yapıların doğrudan yazmak için geliştirilmiştir.

Şekil 5 (Sol) gümüş nanopartikülleri Transmisyon elektron mikroskobu (TEM) resim. (Sağ üst) tavlama sıcaklığı bir fonksiyonu olarak 15 mikron memesi desenli gümüş Mikroelektronlar görüntüleri SEM. (Sağ alt) tavlama sıcaklığı ve süresi bir fonksiyonu olarak gümüş Mikroelektronlar Elektrik direnç.

Şekil 6 katı yüklemesinin bir fonksiyonu olarak gümüş nanoparçacık mürekkepleri Görünür viskozite (η).

Şekil 7 katıların yükleme değişen gümüş nanoparçacık mürekkepler için bir fonksiyonu olarak kayma gerilmesi Shear elastik modülü (G).

Şekil 8 desenli gümüş Mikroelektronlar düzlemsel diziler SEM görüntüleri1 mikron memesi ile Si gofret.

Şekil 9 saydam iletken gümüş ızgaraları (solda) ve SEM görüntüleri çizgi perde (sağda) bir fonksiyonu olarak basılan ızgaraları Optik görüntü.

Şekil 10 hemisferik bir cam substrat elektrikle küçük antenler konform baskı sırasında yakalanan Optik görüntü.

Şekil 11 (2 mikron) ince bir silikon küresel kabuk üzerine yayılan gümüş Mikroelektronlar yazdırma sırasında elde Optik görüntü.

Şekil 12 yayılan gümüş mikroelektrot SEM görüntüsü böylece bir silikon üzerine basılırlar Microcell dizi.

Şekil 13 SEM görüntüleri (üstte) ve gümüş Mikroelektronlar birbirine 4-by-4 LED çipi dizi optik görüntü (altta).

Şekil 14 3D microperiodic gümüş kafes SEM görüntü.
Inkjet baskı gibi geleneksel damlacık tabanlı baskı yaklaşımlar, düzlemsel elektrot üretiminde kullanılan mürekkeplerin seyreltik doğa ve düşük viskozite nedeniyle düşük boy oranı ile sınırlıdır. Son zamanlarda, dip-kalem Nanolitografi (DPN) 20-22 ve e-jet baskı 23-25 desen iletken özellikleri kullanılmaktadır. Bu yollar da seyreltik, düşük viskozite mürekkepleri kullanırlar. Pearton ve arkadaşları, 1600'e kadar, yaklaşık 0,5 mikron 22 mikron -1 ve çizgi genişlikleri yazma hızlarında piyasada bulunan bir gümüş nanoparçacık mürekkep mevduat DPN kullandı. Ancak, geniş alanlar üzerine tekrarlanabilir kalıpları imalatı, bu yaklaşım gösterilmelidir henüz. Gümüş nanoparçacık mürekkepler ayrıca, ~ 1.5 mikron 25 çizgi genişlikleri ile iletken izlerini oluşturmak için e-jet baskı tarafından yatırılan var. Ancak, mürekkep püskürtmeli baskı ile, homojen olmayan baskılı özellikleri uydu damla oluşumu ve düzgün olmayan damla d nedeniyle ortaya çıkabilecek24,25 rying.
Konsantre gümüş nanoparçacık mürekkepleri, yukarıda gösterildiği gibi, doğrudan yazmaya montaj bir filamanlı tabanlı baskı yaklaşımı ile bu sınırlamaların üstesinden gelir. Bu teknik, 1D, 2D, ve 3D mimarisi oluşturmaya olanak sağlayarak geçen tek bir yüksek boy oranları (h / w ≈ 1.0) ile iletken Mikroelektronlar imalat sağlar. Basılı özellikleri büyüklüğü, meme çapı, mürekkep katıların yükleme, uygulanan basınç ve baskı hızı bağlıdır. Bugüne kadar, küçük iletken izleri ~ 2 mm mütevazı hızlarda (<2 mm s -1) 1 mikron memesi kullanarak desenli edilmiş gibi. Özelleştirerek mürekkep kompozisyon ve meme geometri, maksimum baskı hızı, 10 cm s -1 aşan mümkündür . Ancak, ince ucu (<5 mikron) kullanarak yüksek baskı hızı, önemli bir sorun olmaya devam etmektedir.
Doğrudan yazma montaj uygulamaları göstermek için, iletken ızgaraları, El fabrikasyonectrically küçük antenler, güneş hücreleri ve düzlemsel ve yayılan baskılı elektrotlar (Şekil 8-14) ışık yayan diyotlar. Özellikle, bizim yaklaşımımız, metalik yapılar oluşturulması ile sınırlı değildir. Diğer mürekkep tasarımlar, ipek fibroin, hidrojel ve kaçak organik mürekkepleri dayalı olanlar gibi kullanarak, montaj 26-30 doğrudan-yazma ile doku mühendisliği ve hücre kültürü için 3D iskeleleri ve mikrovasküler ağları inşa ettik.
Geleceğe doğru bakıldığında, birçok fırsat ve zorlukları vardır. Ilerlemelerin yeni mürekkep tasarımlar, mürekkep akışı dinamikleri daha iyi modelleme ve gelişmiş robotik ve kontrol sistemleri gerektirir. , Yüksek verimlilik ve nano ölçekli çözünürlük 3D yapıları 1D geniş alan imalat (<100 nm) önemli bir sorun olmaya devam etmektedir.
Çıkar çatışması ilan etti.
Bu malzeme, ABD Enerji Departmanı, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Anabilim Dalı (Ödül No defg-02-07ER46471) ve Işık Malzemelerden DOE Enerji Araştırma Merkezi Enerji Dönüşümü Etkileşimleri (tarafından desteklenen çalışma dayalı Ödülü No DE-SC0001293 ), ve Frederick Seitz Malzeme Araştırma Laboratuvarı (FSMRL) içinde Malzeme Mikroanaliz Merkezi erişim yararlanıyordu.
| Reaktifi Adı | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
| Poli (akrilik asit) | Polysciences, Inc. | 06519 | mw 5.000 g / mol |
| Poli (akrilik asit) | Polysciences, Inc. | 00627 | mw 50.000 g / mol |
| Gümüş nitrat | Sigma-Aldrich | 209139 | Gümüş kaynağı |
| Diethanolamine | Sigma-Aldrich | D8885 | / Solvent indirgeyici ajan |
| Etilen glikol | Sigma-Aldrich | 102466 | Nemlendirici |
| Sonicater | Fisher Scientific | FS30H | - |
| Santrifüj | Beckman Coulter | Avanti TM J-25 | - |
| Robotik sahne | Aerotech Inc. | ABL 900.010 | 3-eksenli hareket |
| Şırınga varil | EFD Inc. | 5109LBP-B | 3 ml |
| Nozul | EFD Inc. | - | id = 0,1 - 250 mikron |
| Dispenser | EFD Inc. | 800 | Hava beslemeli |
| Tasarım yazılımı | Özel olarak tasarlanmış | - | Mingjie Xu |