Stabilisatorrester i blæk, der viser sig at hæmme ledningsevnen i 3D-printet elektronik

Blæk, der indeholder metalnanopartikler, er blandt de mest almindeligt anvendte ledende materialer til trykt elektronik. Blækstrålende lag af MNP-materialer giver mulighed for uovertruffen designfleksibilitet, hurtig behandling og 3D-print af funktionelle elektroniske enheder såsom sensorer, solpaneler, LED skærme, transistorer og smarte tekstiler.

Inkjet 3D-print af metaller danner typisk et fast trykt objekt via en to-trins proces:opløsningsmiddelfordampning ved print (pinning) og efterfølgende lavtemperaturkonsolidering af nanopartikler (sintring). Den lave temperatur er vigtig, da nanopartiklerne i mange applikationer er co-printet med andre funktionelle/strukturelle organiske materialer, der er følsomme over for højere temperaturer.

Imidlertid, lag produceret ved inkjet print af metal nanopartikler har forskellig elektrisk ledningsevne mellem vandrette og vertikale retninger. Denne effekt er kendt som funktionel anisotropi og er et langvarigt problem for 3D-printning af funktionelle elektroniske enheder, forhindrer dets brug til avancerede applikationer.

Det var tidligere antaget, at reduceret vertikal ledningsevne gennem en trykt enhed hovedsageligt er forårsaget af form- og fysiske kontinuitetsproblemer ved grænsefladerne mellem de konstituerende nanopartikler (i den meget lille mikro- og nanoskala). Imidlertid, Nottingham forskere brugte sølv nanopartikler til at vise, for første gang, at det er forårsaget af organiske kemikalierester i blækket.

Disse rester, som tilsættes blækket for at hjælpe med at stabilisere nanomaterialerne, føre til dannelsen af ​​lavt ledende, meget tynde lag i nanoskala, som forstyrrer den udskrevne prøves elektriske ledningsevne i lodret retning.

Med en klarere forståelse af fordelingen af ​​resterende organiske tilsætningsstoffer i trykte lag, forskerne håber at fortsætte med at definere nye teknikker og udvikle nye blækformuleringer for at overvinde funktionel anisotropi af inkjet-baseret 3D-printet elektronik.

Hovedforfatter, CfAM-forsker Dr. Gustavo Trindade, sagde, "Konduktiviteten af ​​inkjet-printede metalnanopartikler er kendt for at være afhængig af behandlingstemperatur og er tidligere blevet tilskrevet ændringer i form og porøsitet af klyngede nanopartikler, med organiske resters rolle kun spekuleres."

"Denne nye indsigt muliggør udviklingen af ​​ruter til at overvinde funktionel anisotropi i inkjet-baserede nanopartikler, og vil derfor forbedre optagelsen af ​​denne potentielt transformerende teknologi, gør det konkurrencedygtigt med konventionel produktion. Vores tilgang kan overføres til andre nanomateriale-baserede blæk, herunder dem, der indeholder grafen og funktionaliserede nanokrystaller, og vil muliggøre udvikling og udnyttelse af både 2-D og 3D printet elektronik som fleksible og bærbare sensorer, solpaneler, LED skærme, transistorer og smarte tekstiler."

Undersøgelsen blev udført af Center for Additive Manufacturing (CfAM), under det EPSRC-finansierede programtilskud på £5,85 mio. Aktivering af næste generation af additiv fremstilling. Deres resultater er offentliggjort i et nyt papir 'Residual polymer stabilisator forårsager anisotropisk elektrisk ledningsevne under inkjet print af metal nanopartikler' i Nature journal Kommunikationsmaterialer.

Forskerne brugte den unikke kemiske følsomhed af et avanceret 3D orbiSIMS-instrument ejet af University of Nottingham. Nottingham orbiSIMS - den eneste på et britisk universitet - tillader etiketfri 3D kemisk billeddannelse af materialer med meget høj opløsning, afslørende indsigter, der har været grundlaget for denne undersøgelse.