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油墨中的稳定剂残留物抑制3D打印电子产品的导电

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江苏激光联盟导读：

包含金属纳米粒子的油墨是印刷电子产品最常用的导电材料之一。MNP材料的喷墨层可提供无与伦比的设计灵活性、快速处理和3D打印功能性电子设备，例如传感器，太阳能电池板，LED显示器，晶体管和智能纺织品。

由于数字印刷电子产品的设计灵活性以及其他优势，例如加快产品上市时间，推动了各个领域的新颖研究。包含胶体材料（例如金属纳米颗粒、锗-二氧化硅、半导体量子点、本征导电聚合物胶体和磁性纳米颗粒）的墨水喷墨已成功用于各种柔性和可穿戴电子到量子光电器件和完全印刷的钙钛矿太阳能电池。但是，印刷零件的性能与传统制造方法所制造的零件没有竞争力。这是由于制造技术和材料选择方面的挑战，而这些挑战缺乏全面的了解。金属纳米颗粒是印刷电子产品中最常用的导电材料之一，通常需要通过两步过程进行固结：印刷（钉扎）时溶剂挥发，随后进行低温烧结（120–200°C），从而在聚合物基板上形成导电迹线。低温很重要，因为在许多应用中，纳米颗粒与对高温敏感的其他功能/结构有机材料共同印刷。

最近，基于喷墨的三维（3D）打印已用于使不同功能材料（例如介电和/或导电材料）同时进行选择性共沉积，到最终实现具有多种功能的宏观多材料物体的生产。

尽管在二维（2D）和3D打印电子设备中利用基于金属纳米颗粒的材料引起了极大的兴趣，但是与块状金属相比，金属纳米颗粒层的较低和各向异性的层内（平面）和层间（垂直）电导率会限制设备的性能，这种效应被称为功能各向异性，并且对于功能性电子设备的3D打印是一个长期存在的问题，会限制其在行业和产品中的普及率。众所周知，印刷层的电导率取决于热处理过程，并且先前已归因于形态变化和可能的有机残留物。然而，导致导电性降低的金属纳米颗粒的低温烧结的详细机理仍有待充分理解。

先前认为，通过印刷装置降低的垂直电导率主要是由组成纳米颗粒界面（在非常小的微米和纳米级）的形状和物理连续性问题引起的。但是，来自诺丁汉大学的研究人员首次使用银纳米颗粒来表明它是由油墨中的有机化学残留物引起的。这些残留物被添加到油墨中以帮助稳定纳米材料，导致形成低导电性，非常薄的纳米级层，这些层会在垂直方向上干扰打印样品的电导率。

图1. 喷墨印刷AgNP和聚合物稳定剂的检测

▲图解：a. 通过原位溶剂蒸发（钉扎）按需按需喷射包含AgNPs的墨水。油墨的AgNPs尺寸分布在补充图3中进行了详细说明。b. AgNPs印刷层的光学图像（底部）和化学图（顶部）显示了Ag2 +（灰色），C6H10NO +（红色）和Si +（蓝色）在印刷层的表面，c. 对沉积的液滴和d两个聚结的液滴。线图表示每个图中心的强度。

▲图2. 喷墨3D打印的AgNP的堆叠层

在对残留有机添加剂在印刷层中的分布有更清晰的了解之后，研究人员希望继续定义新技术并开发新的油墨配方，以克服基于喷墨的3D打印电子产品的功能各向异性。

诺丁汉大学增材制造中心的研究员Gustavo Trindade博士表示已知喷墨印刷的金属纳米颗粒的电导率取决于处理温度，并且先前归因于簇状纳米颗粒的形状和孔隙率的变化，其作用是仅推测出有机残留物。这一新见解使人们能够开发克服基于喷墨的纳米颗粒中功能各向异性的方法，因此将提高对这一潜在转化技术的吸收，使其与传统制造技术竞争。我们的方法可转移到其他基于纳米材料的油墨中，包括石墨烯和功能化的纳米晶体，将能够开发和开发2D和3D打印电子产品，例如柔性和可穿戴传感器、太阳能电池板、LED显示器、晶体管和智能纺织品。

图3. 多材料喷墨3D打印封装的导电银图案中存在残留稳定剂

▲图解：a是示出器件的层结构的示意图。b. 照片表明封装可以在水下使用设备。ToF-SIMS深度剖面在c顶部和e底部界面产生。介电材料为TPGDA，以C3H3O +表示。PVP由横截面的C6H10NO+ ，d. 横截面的透射电子显微镜照片。

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/zonghexinwen/2021/0523/1311.html