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微电子打印机辅助的最新研究成果介绍

发表日期:2022-02-16阅读量:521

微电子打印机是集喷墨打印、点胶、刮涂工艺于一体的柔性器件制备工具,其以新型功能性油墨替代传统颜料油墨,使用喷墨打印技术、点胶工艺、刮涂在各种平整柔性的基底上用增材制造的方式制备出 电路板、全印刷场效应晶体、电阻、电容、电感等基础元器件和全印刷光电传感器、全印刷光致变色传感器、全印刷气体传感器、全印刷温度传感器、全印刷压力传感器全印刷平面式超级电容器、全印刷手写发光柔性屏幕、温致变色器件、有机太阳能电池、全印刷OLE等功能器件。

 

 

近来,微电子打印机在一些研究领域的进展如下:
 
一、喷墨打印银纳米线

电子科技大学中山学院制备了喷墨用银纳米线墨水,他们讨论了溶剂体系、润湿剂、银纳米线悬浮液对油墨粘度、表面张力、墨滴与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底表面接触角、油墨pH值的影响。他们采用喷墨打印工艺在PET基片上制备了AgNWs柔性透明导电薄膜,详细研究了打印层数、热处理温度、溅射频率和喷嘴数对AgNWs薄膜微观结构和光电性能的影响。实验结果表明,打印14层的AgNWs薄膜在 60℃和70℃下,薄膜的方阻分别为13Ω/sq和23Ω/sq,平均透明度分别为81.9%和83.1%。当喷墨打印参数设置为电压20 V,喷头数16个,墨滴频7000 Hz,DPI为15µm,且打印时PET基板温度为40℃,喷头35℃,且将薄膜在60℃下热处理时20分钟后,薄膜具有优异的光电性能。此外,在线性图形边缘观察到AgNWs的堆积和溢出,导致打印精度下降。他们成功地打印出了心形图案,并证明其可以很好地工作。最终结果表明,以银纳米线油墨为喷墨材料的喷墨打印工艺可以获得具有良好光电性能的清晰图案。

文章:Yuehui Wang 1, Xiaoli Wu, Ke Wang, Kaiwen Lin, Hui Xie, Xiaobing Zhang and Jingze Li. Novel Insights into Inkjet Printed Silver Nanowires Flexible Transparent Conductive Films. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 7719.

 

二、喷墨打印钙钛矿

卤化铅钙钛矿发光二极管(PeLED)的快速发展为未来的照明和显示应用提供了广阔的前景。然而,由于缺乏有效的蓝光发射、器件稳定性不足以及缺乏方便的图形化方法,极大地阻碍了PeLED应用的发展。复旦大学介绍了一种可行的两步制备方法结合嵌段共聚物(BCP)模板,制备高质量的CH3NH3PbBrxCl3-x三维钙钛矿膜。BCP模板的CH3NH3PbBr3薄膜具有优异的荧光量子效率 (PLQY)为62%(平均PLQY为58%),并且在室温下具有出色的稳定性。采用无卤化物三水合醋酸铅作为铅源,在第二步中通过简单控制Cl/Br比即可轻松地将发光颜色由绿色调至蓝色。CH3NH3PbBr31.5Cl1.5钙钛矿薄膜的PLQY为23±2%,可获得天蓝色发光。这种两步制作方法也可以直接制作图案,就像下图喷墨打印和中国书法所展示的那样。

文章:Chongyuan Li, Yu Chen, Fengcai Liu.et al. Highly Luminescent and Patternable Block Copolymer Templated 3D Perovskite Films. Adv. Mater. Technol. 2021, 2001209.

 
三、柔性传感器

柔性多模态传感器是物联网人机界面、健康监测和软机器人不可或缺的组成部分。尽管在高灵敏度、灵活性和多功能方面进行了大量的研究,但这些优点通常伴随着复杂的制造,阻碍了实际应用。浙江大学研究团队提出了一种包含4个压力传感器单元、2个温度传感器单元和1个距离传感器单元的全印刷柔性三模态传感器片。其精巧的结构以三功能的底部电极层为特色,有效地扩展了该传感器片的功能,并保持易于制造。该多功能装置合理集成了各传感器单元,在保持结构紧凑的同时抑制了串扰和相互干扰。此外,所有功能的集成实现了双层检测功能,上层的近距离感知可以检测到兴趣事件,从而唤醒下层的温度和压力感知。这一解决方案将密集分布的传感器网络从长期运行中解放出来,从而节省了功耗。其中传感器的制备使用到微电子打印机的点胶功能,他们通过全印刷的多模态传感器表显示了低成本宏观柔性电子器件的潜力。

文章:Huayu Luo, Gaoyang Pang, Kaichen Xu, Zhiqiu Ye, Huayong Yang, and Geng Yang. A Fully Printed Flexible Sensor Sheet for Simultaneous Proximity–Pressure–Temperature Detection. Adv. Mater. Technol. 2021, 2100616.

 
四、柔性电致发光器件

高性能柔性导电基底是开发有前景的可穿戴设备的关键部件之一。为此,福建农林大学研究开发了一种可持续、柔性、透明、导电的纤维素/ZnO/AZO (CZA)薄膜。以纤维素为透明底物。添加AZO作为导电层,ZnO作为界面缓冲层。结果表明,ZnO的界面缓冲层有效地缓解了有机纤维素与无机偶氮化合物的内在不相容性,从而提高了CZA薄膜的性能。与具有365Ω/sq片电阻和87%透光率的受控纤维素/AZO (CA)薄膜相比,CZA薄膜的导电片电阻为115Ω/sq,透光率为89%,粗糙度为1.85 nm。ZnO缓冲层的存在使CZA薄膜在弯曲处理下的电导率保持稳定。并基于此纤维素导电薄膜,利用微电子打印机制备出如下图所示的电致发光器件,展现了良好的导电薄膜应用场景。

文章:Xi Liu, Wei Xiao, Tao Tao, Jiawei Yang, Huixin Li, Qunfeng Chen, Liulian Huang, Yonghao Ni, Lihui Chen, Xinhua Ouyang, Xuhai Zhu, Jianguo Li. Transparent, smooth, and sustainable cellulose-derived conductive film applied for the flexible electronic device. Carbohydrate Polymers, 2021, 260, 117820.

 

五、柔性超级电容器

在纺织品上制备柔性微超级电容器作为可穿戴电子器件的小型电源仍然是一个巨大的挑战。上海大学研究人员通过喷墨打印和挤压打印直接在纺织品上制备MSCs。得益于其多步打印策略,纺织基质干细胞仍然保持其独特的多孔电极结构和快速电子转移性。与单纯的挤压打印相比,采用多步打印策略的MSCs具有显著的电化学性能、延长的循环寿命和卓越的机械灵活性。此外,得益于数字打印的能力,可以直接制备柔性系列MSCs,并方便地与导电纺织品集成,支持可穿戴电子系统。这种简单的打印方法将在制造能量基器件和可穿戴功能电子器件方面显示出广泛的潜力。

文章:Hua Guo, Zhen Jiang, Dayong Ren, Shengxia Li, Jialin Wang, Xiaobing Cai, Dongxing Zhang, Qiuquan Guo, Junfeng Xiao, and Jun Yang. A Printed High-Performance Flexible Micro-Supercapacitor on Textiles for Powering Wearable Electronics. ChemElectroChem, 2021, 8, 1574-1579.

 

 

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