Ny stemplingsteknik skaber funktionelle funktioner i nanoskala dimensioner

Næste gang du bestiller kaffe, forestil dig at smække et klistermærke på din to-go kop, der fungerer som et elektronisk mærkat, giver dig besked om den præcise temperatur på din triple-venti no-foam latte. En skønne dag, den højteknologiske stempling, der producerer sådan et klistermærke, kan også bringe os fødevareemballage, der viser en digital nedtælling for at advare mod fordærvede produkter, eller endda en rude, der viser dagens vejrudsigt, baseret på målinger af vejrforholdene udenfor.

Ingeniører ved MIT har opfundet en hurtig, præcis printproces, der kan gøre sådanne elektroniske overflader til en billig realitet. I et papir offentliggjort i dag i Videnskabens fremskridt , forskerne rapporterer, at de har fremstillet et frimærke lavet af skove af kulstof nanorør, der er i stand til at printe elektronisk blæk på stive og fleksible overflader.

A. John Hart, Mitsui Career Development Associate Professor i moderne teknologi og maskinteknik ved MIT, siger, at holdets stemplingsproces skulle være i stand til at udskrive transistorer, der er små nok til at styre individuelle pixels i højopløselige skærme og berøringsskærme. Den nye trykteknik kan også tilbyde en relativt billig, hurtig måde at fremstille elektroniske overflader til endnu ukendte applikationer.

"Der er et enormt behov for udskrivning af elektroniske enheder, der er ekstremt billige, men som giver enkle beregninger og interaktive funktioner, " siger Hart. "Vores nye printproces er en teknologi, der gør det muligt at yde høj ydeevne, fuldt trykt elektronik, inklusive transistorer, optisk funktionelle overflader, og allestedsnærværende sensorer."

Sanha Kim, en postdoc i MIT's afdelinger for maskinteknik og kemiteknik, er hovedforfatter, og Hart er ledende forfatter. Deres medforfattere er maskiningeniørstuderende Hossein Sojoudi, Hangbo Zhao, og Dhanushkodi Mariappan; Gareth McKinley, Ingeniørskolen professor i undervisningsinnovation; og Karen Gleason, professor i kemiteknik og MIT's associate provost.

Et stempel fra små pennefjer

Der har været andre forsøg i de senere år på at udskrive elektroniske overflader ved hjælp af inkjet-print og gummistemplingsteknikker, men med uklare resultater. Fordi sådanne teknikker er svære at kontrollere i meget lille skala, de har tendens til at producere "kaffering"-mønstre, hvor blæk løber ud over grænserne, eller ujævne print, der kan føre til ufuldstændige kredsløb.

"Der er kritiske begrænsninger for eksisterende udskrivningsprocesser i den kontrol, de har over funktionsstørrelsen og tykkelsen af ​​det lag, der udskrives, " siger Hart. "For noget som en transistor eller tynd film med særlige elektriske eller optiske egenskaber, disse egenskaber er meget vigtige."

Hart og hans team forsøgte at printe elektronik meget mere præcist, ved at designe "nanoporøse" frimærker. (Forestil dig et stempel, der er mere svampet end gummi og krympet til størrelsen af ​​en pinky fingernegl, med mønstrede træk, der er meget mindre end bredden af ​​et menneskehår.) De begrundede, at stemplet skulle være porøst, at tillade en opløsning af nanopartikler, eller "blæk, " at flyde ensartet gennem frimærket og på hvilken som helst overflade, der skal trykkes. Designet på denne måde, stemplet skal opnå meget højere opløsning end konventionelt gummistempeltryk, kaldet flexografi.

Kim og Hart finder det perfekte materiale til at skabe deres meget detaljerede stempel:kulstof nanorør – stærke, mikroskopiske plader af kulstofatomer, arrangeret i cylindre. Harts gruppe har specialiseret sig i at dyrke skove af vertikalt justerede nanorør i nøje kontrollerede mønstre, der kan konstrueres til meget detaljerede frimærker.

"Det er noget serendipitalt, at løsningen til højopløsningsprint af elektronik udnytter vores baggrund i at lave kulstof nanorør i mange år, "Siger Hart. "Skovene af kulstof nanorør kan overføre blæk til en overflade som et massivt antal af små pennefjer."

Udskrivning af kredsløb, rulle for rulle

For at lave deres frimærker, forskerne brugte gruppens tidligere udviklede teknikker til at dyrke kulstofnanorørene på en overflade af silicium i forskellige mønstre, inklusive honeycomb-lignende sekskanter og blomsterformede designs. De coatede nanorørene med et tyndt polymerlag (udviklet af Gleasons gruppe) for at sikre, at blækket ville trænge igennem nanorørskoven, og nanorørene ville ikke krympe, efter at blækket blev stemplet. Derefter infunderede de frimærket med en lille mængde elektronisk blæk indeholdende nanopartikler såsom sølv, Zinkoxid, eller halvlederkvanteprikker.

Nøglen til at udskrive lille, præcis, mønstre med høj opløsning er i mængden af ​​tryk, der påføres for at stemple blækket. Holdet udviklede en model til at forudsige mængden af ​​kraft, der er nødvendig for at stemple et jævnt lag blæk på et underlag, givet ruheden af ​​både stemplet og underlaget, og koncentrationen af ​​nanopartikler i blækket.

For at opskalere processen, Mariappan byggede en trykkemaskine, inklusive en motoriseret rulle, og fastgjort til det forskellige fleksible underlag. Forskerne fikserede hvert frimærke på en platform fastgjort til en fjeder, som de brugte til at styre kraften, der blev brugt til at presse stemplet mod underlaget.

"Dette ville være en kontinuerlig industriel proces, hvor du ville have et stempel, og en rulle, hvorpå du vil have et underlag, du vil udskrive på, som en spole af plastfilm eller specialpapir til elektronik, " siger Hart. "Vi fandt, begrænset af den motor, vi brugte i printsystemet, vi kunne udskrive med 200 millimeter i sekundet, løbende, som allerede er konkurrencedygtig med priserne for industrielle printteknologier. Det her, kombineret med en tidobling af udskriftsopløsningen, som vi demonstrerede, er opmuntrende."

Efter stempling af blækmønstre af forskellige designs, holdet testede de trykte mønstres elektriske ledningsevne. Efter udglødning, eller opvarmning, designerne efter stempling - et almindeligt trin i aktivering af elektroniske funktioner - de trykte mønstre var faktisk meget ledende, og kunne tjene, for eksempel, som højtydende transparente elektroder.

Fremadrettet, Hart og hans team planlægger at forfølge muligheden for fuldt trykt elektronik.

"Et andet spændende næste skridt er integrationen af ​​vores printteknologier med 2-D materialer, såsom grafen, som tilsammen kunne muliggøre nye, ultratynde elektroniske og energikonverteringsenheder, " siger Hart.