Udskrivning af flydende metaller i tredimensionelle strukturer

I en nylig undersøgelse om materialevidenskab og nanomedicin, Young-Geun Park og medarbejdere ved afdelingerne for Nanoscience, Nanomedicin og materialevidenskab og -teknik i Republikken Korea udviklede en ukonventionel 3-D-udskrivningstilgang. Forskerne konstruerede en høj opløsning, rekonfigurerbar 3-D printstrategi ved hjælp af flydende metaller til at danne strækbare, 3-D konstruktioner. Ved at bruge teknikken, de dannede en minimumslinjebredde på 1,9 µm ved hjælp af direkte udskrivning og trykte mønstre til omkonfiguration til forskellige 3D-strukturer, mens de bibeholdt uberørte opløsninger.

De udførte rekonfigurationer mange gange for at generere en tynd oxidgrænseflade og bevare materialets elektriske egenskaber under omgivende forhold. De fritstående funktioner kan være indkapslet i strækbare, konforme konfigurationer. Park et al. demonstrerede applikationer i form af rekonfigurerbare antenner, kan indstilles ved at ændre geometrier og reversibelt bevægelige sammenkoblinger for at bruge konstruktionerne som mekaniske kontakter. De fritstående 3D-strukturer var fordelagtige til at minimere antallet og mellemrummet mellem sammenkoblinger for højere integration, som set med microLED-arrays. Resultaterne er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt .

Avancerede teknologier, der danner 3D-ledende strukturer med høj opløsning, høje billedformater og minimal forskydningsfejl er vigtige for at øge enhedens integritet. Enhedens deformerbarhed er en vigtig overvejelse for fri-form elektronik, inklusive strækbar elektronik, bærbar elektronik, bløde aktuatorer og robotter. Disse elektroniske enheder kræver typisk konstruktion med bevægelige, vilkårlige former såsom led eller arme, eller de bløde overflader af levende organismer. At realisere sådanne strækbare enheder med konventionelle materialer såsom silicium er en udfordring på grund af deres skørhed. Materialeforskere har derfor udviklet forskellige ledende materialer med fremragende strækbarhed i form af bølgede tynde metaller, metalliske netværk og elastomere kompositter, alligevel er disse processer ikke i stand til at danne skalerbare 3D-strukturer. Ud over, 3-D printet, og termisk udglødede metaller er relativt stive og stive, hvilket forårsager skade på bløde, vævslignende underlag.

Forholdsvis, flydende metaller såsom eutektisk gallium-indium-legering (EGaIn) eller gallium-indium-tin-legering (Galinstan) er i sig selv strækbare, med lav toksicitet og minimal flygtighed for fremragende elektrisk ledningsevne - sammenlignelig med faste metaller. Direkte blækudskrivning med en dyse kan danne fritstående 3D-strukturer ved stuetemperatur ved at stable små dråber af flydende metal oven på hinanden, men den resulterende opløsning er ikke egnet til at bygge elektroniske enheder. I nærværende arbejde er det derfor Park et al. rapportere en højopløsnings-udskrivningsmetode med flydende metal til direkte omkonfiguration til 3-D elektrodemønstre gennem en dyse, under omgivende forhold.

I forsøgsopstillingen, Park et al. tilsluttet en dyse til en blækbeholder eller trykregulator. Materialeforskerne brugte EGaIn (75,5 vægtprocent gallium og 24,5 vægtprocent indiumlegering) som blækket og kontrollerede afstanden mellem dysespidsen og polymersubstratet for at levere blækket. Ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM), de så EGaIn-mønsteret printet med komplekse 2-D og 3-D geometrier og brugte teknikken til at printe mere forskelligartede mønstre såsom sammenkoblinger af elektriske kredsløb med høj opløsning.

Efter direkte udskrivning af EGAIn gennem en dyse, forskerne løftede dysespidsen for dens flytning til den ønskede position af substratet for at fortsætte udskrivningen. Brudenergien af ​​oxidhuden forbandt dysespidsen som et "reb" under afløftning. Park et al. målte de maksimale hastigheder for forskellige diametre af filamenter for at demonstrere forskellige eksempler og dannede 2-D og 3-D funktioner med repeterbar rekonfiguration. Under omkonfigurationsprocessen, forskerne kunne løfte en fortrykt filament oprejst fra et substrat uden at bryde konstruktionen. De observerede stabile elektroder kunne modstå elektrisk belastning for at blive mere og mere integreret og miniaturiseret i elektriske enheder. For at verificere egnetheden af ​​EGaIn-elektroder som sammenkoblinger, Park et al. udførte elektriske nedbrudstest herefter.

Når de anvendte DC eller AC bias til at overvåge elektrisk nedbrud, temperaturen steg for meget i den eksperimentelle opsætning, hvilket påvirker den mekaniske stabilitet af EGaIn 3-D funktionerne. Konstruktionerne bibeholdt deres oprindelige fritstående 3D-struktur uden strukturelt sammenbrud ved 500 ⁰ C i 30 minutter. Efter gentagen opvarmning og afkøling ved stuetemperatur, Oxidhuden på 3-D er let rynket på grund af termisk ekspansion mellem oxidskallen og EGaIn-kernen. Park et al. testede den elektriske kontakt af direkte printede og omkonfigurerede flydende metaller og målte afhængigheden af ​​total modstand på længden af ​​den trykte kanal for at vise, at modstanden af ​​EGaIn mønstre steg signifikant med tiden under omgivende forhold.

Som et bevis på princippet om den rekonfigurerbare elektronik udviklet i dette arbejde, Park et al. demonstreret dannelsen af ​​en rekonfigurerbar antenne med evne til at ændre dens resonansfrekvens og strålingsegenskaber ved at ændre dens geometri. For det, forskerne dannede en antennestruktur med dobbelt spole på en glasplade ved direkte at printe EGaIn. Under omkonfiguration, EgaIn dannede en 3-D broforbindelse, hvis resonansfrekvens forskerne først bestemte, efterfulgt af deres brug til selektivt at betjene tre forskellige lysdioder (LED'er) med røde, grønt og blåt lys. Den rekonfigurerbare, Fritstående sammenkobling bibeholdt sin modstand til pålideligt at betjene alle LED'er ved 3V under gentagen frakobling og tilslutning af flere rekonfigurationstrin.

De fritstående 3D-forbindelser dannet ved hjælp af rekonfigurationsprocessen var fordelagtige til at bygge tværgeometrier i et enkelt XY-plan, i stedet for at bruge flere lag for derved at forhindre uønsket elektrisk kontakt. For det, Park et al. demonstrerede både tværgående og langsgående sammenkoblinger af EGaIn for et 4 x 4 array af mikroLED'er på en fleksibel polymerfilm for at forhindre kortslutning. Ved hjælp af metoden, Park et al. minimeret antallet af sammenkoblinger integreret i en miniatureenhed, da 3-D-mønsteret effektivt kunne minimere antallet og rummet af sammenkoblinger.

På denne måde Young-Geun Park og kolleger demonstrerede højopløsnings 3-D-print ved hjælp af flydende metal og viste sin anvendelse til strækbare 3-D-integrationer, som er svære at opnå med konventionel teknik. Sammenlignet med eksisterende 3-D printteknikker, denne metode kan danne fint, fritstående 3-D strukturer af elektroder med rekonfigurerbare mønstre. Som et eksempel, Park et al. konstrueret en rekonfigurerbar antenne, der er i stand til at modificere dens resonansfrekvens via geometriske ændringer. De præsenterede også reversibelt bevægelige 3D-forbindelser som mekaniske kontakter, der kunne lette højere kompakt integration i miniaturiserede enheder. Forskerne forventer, at den højopløselige 3D-omkonfigurationsmetode vil tilbyde en lovende ny additiv fremstillingsstrategi for meget integrerede og strækbare næste generations elektroniske enheder.

© 2019 Science X Network