eng
Просмотры: 1765
13.08.2020
Получен рабочий состав чернил с двумерными кристаллами для струйной печати на кремниевых пластинах
Вы когда-нибудь проливали кофе на свой рабочий стол? Если да, то вы могли наблюдать один из самых загадочных феноменов гидроаэромеханики – «эффект кофейного кольца». Этот эффект препятствовал промышленному внедрению чернил с графеном, двумерными материалами и наночастицами, поскольку он заставлял устройства печатной электроники, произведенной с их использованием, вести себя неправильно.
Спустя годы изучения «эффекта кофейного кольца», команда исследователей создала новое семейство чернил, которое справляется с этой проблемой, открывая дорогу к производству новой электроники, такой, как датчики, фотодетекторы, элементы питания и солнечные элементы.
«Кофейные кольца» образуются потому что на краях жидкость испаряется быстрее, приводя к скоплению твердых частиц на границах пятна, что выражается в формировании этого характерного тёмного кольца. Чернила ведут себя так же, как кофе – твёрдые частицы накапливаются вокруг краёв, создавая неправильные формы и неровные поверхности, особенно при печати на твердых поверхностях, таких как кремниевые пластины или пластмассы
Группа исследователей, возглавляемая Тафиком Хасаном (Tawfique Hasan) из центра по изучению графена при Кэмбриджском Университете, вместе с Колином Баином (Colin Bain) из департамента химии Даремского университета и Менг Жангом из школы Инженерии электроники и информации Университета Бэйхан изучили физику чернильных капель, опираясь на отслеживание частиц при помощи высокоскоростной микрофотографии, гидроаэромеханику и различные комбинации растворителей.
В результате, ученые нашли решение проблемы «кофейного кольца»: спирт. А если точнее, то смесь изопропилового спирта и 2-бутанола. С использованием этого вещества, частицы чернил начинают распределяться равномерно по всей площади капли, генерируя формы с одинаковой толщиной и свойствами. Результаты изысканий опубликованы 12.08.2020 в журнале Science Advances.
Во время высыхания, капли новых чернил расплываются равномерно по всей поверхности, распределяя частицы одинаково. С применением полученных в ходе исследования результатов, производители могут применять струйную печать в качестве дешевой, легкодоступной стратегии для производства электронных устройств и датчиков. Кроме того, новые чернила изготавливаются без использования добавок полимеров и сульфактантов, призванных решать проблему «кофейного кольца», но при этом уменьшающих электронные свойства графена и других двумерных материалов.
Новая методология позволяет достигнуть воспризводимости и масштабируемости. Исследователи напечатали порядка 4500 приблизительно одинаковых устройств на кремниевых пластинах и пластмассовой подложке. В частности, они напечатали газовые детекторы и фотодетекторы. Оба типа устройств демонстрировали лишь незначительные отклонения в производительности. Ранее, печать пары сотен таких устройств уже считалась успехом, даже если они показывали неодинаковое результаты.
Помимо графена, команда оптимизировала более дюжины чернильных составов, содержащих различные материалы. Некоторые из них это двумерные «двоюродные братья» графена, такие, как черный фосфор или нитрид бора. Другие представляют собой более сложные гетероструктуры – «бутерброды» из различных двумерных и наноструктурных материалов. Исследователи утверждают, что с использованием их чернильных составов они могут также печатать чистые наночастицы и органические молекулы. Это разнообразие материалов может стимулировать производство электронных и фотонных устройств, а также более эффективных катализаторов, фотоэлементов, элементов питания и функциональных покрытий.
Команда учёных ожидает увидеть промышленное применение этой технологии в ближайшем будущем. Их первые доказательства эффективности разработанной концепции – печатные датчики и фотодетекторы показали обнадеживающие результаты по чувствительности и стабильности работы, превышающие обычные промышленные требования. Это должно привлечь инвесторов, заинтересованных в печатной и гибкой электронике.
О жизни в «умных городах» в рамках шестого технологического уклада и Индустрии 4.0 читайте в нашей новой книге «Проектирование цифрового будущего. Научные подходы. Коллективная монография».
Траектория частиц в высыхающей капле. Красные стрелки обозначают конец траектории. © Tawfique Hasan
Спустя годы изучения «эффекта кофейного кольца», команда исследователей создала новое семейство чернил, которое справляется с этой проблемой, открывая дорогу к производству новой электроники, такой, как датчики, фотодетекторы, элементы питания и солнечные элементы.
«Кофейные кольца» образуются потому что на краях жидкость испаряется быстрее, приводя к скоплению твердых частиц на границах пятна, что выражается в формировании этого характерного тёмного кольца. Чернила ведут себя так же, как кофе – твёрдые частицы накапливаются вокруг краёв, создавая неправильные формы и неровные поверхности, особенно при печати на твердых поверхностях, таких как кремниевые пластины или пластмассы
Группа исследователей, возглавляемая Тафиком Хасаном (Tawfique Hasan) из центра по изучению графена при Кэмбриджском Университете, вместе с Колином Баином (Colin Bain) из департамента химии Даремского университета и Менг Жангом из школы Инженерии электроники и информации Университета Бэйхан изучили физику чернильных капель, опираясь на отслеживание частиц при помощи высокоскоростной микрофотографии, гидроаэромеханику и различные комбинации растворителей.
В результате, ученые нашли решение проблемы «кофейного кольца»: спирт. А если точнее, то смесь изопропилового спирта и 2-бутанола. С использованием этого вещества, частицы чернил начинают распределяться равномерно по всей площади капли, генерируя формы с одинаковой толщиной и свойствами. Результаты изысканий опубликованы 12.08.2020 в журнале Science Advances.
© University of Cambridge
«Естественная форма чернильных капель – сферическая. Капли чернил, полученных нами, принимают форму «блина» благодаря своему химическому составу», – рассказал Тафик Хасан.
Во время высыхания, капли новых чернил расплываются равномерно по всей поверхности, распределяя частицы одинаково. С применением полученных в ходе исследования результатов, производители могут применять струйную печать в качестве дешевой, легкодоступной стратегии для производства электронных устройств и датчиков. Кроме того, новые чернила изготавливаются без использования добавок полимеров и сульфактантов, призванных решать проблему «кофейного кольца», но при этом уменьшающих электронные свойства графена и других двумерных материалов.
Новая методология позволяет достигнуть воспризводимости и масштабируемости. Исследователи напечатали порядка 4500 приблизительно одинаковых устройств на кремниевых пластинах и пластмассовой подложке. В частности, они напечатали газовые детекторы и фотодетекторы. Оба типа устройств демонстрировали лишь незначительные отклонения в производительности. Ранее, печать пары сотен таких устройств уже считалась успехом, даже если они показывали неодинаковое результаты.
© University of Cambridge
«Понимание этого фундаментального поведения чернильных капель позволило нам найти идеальное решение для струйной печати всех типов двумерных кристаллов», – рассказал участник команды исследователей Гохуа Ху. «Наш состав может быть легко масштабирован для печати новых электронных компонентов на графеновых пластинах, пластике или даже покраски распылением, а также для носимых устройств. Он уже соответствует или даже превышает требования технологичности для устройств печатной электроники».
Помимо графена, команда оптимизировала более дюжины чернильных составов, содержащих различные материалы. Некоторые из них это двумерные «двоюродные братья» графена, такие, как черный фосфор или нитрид бора. Другие представляют собой более сложные гетероструктуры – «бутерброды» из различных двумерных и наноструктурных материалов. Исследователи утверждают, что с использованием их чернильных составов они могут также печатать чистые наночастицы и органические молекулы. Это разнообразие материалов может стимулировать производство электронных и фотонных устройств, а также более эффективных катализаторов, фотоэлементов, элементов питания и функциональных покрытий.
Команда учёных ожидает увидеть промышленное применение этой технологии в ближайшем будущем. Их первые доказательства эффективности разработанной концепции – печатные датчики и фотодетекторы показали обнадеживающие результаты по чувствительности и стабильности работы, превышающие обычные промышленные требования. Это должно привлечь инвесторов, заинтересованных в печатной и гибкой электронике.
«Наша технология может ускорить применение недорогих, энергосберегающих, ультрасоединенных датчиков для Интернета вещей», – сказал Тафик Хасан.
«Мечта об «умных городах» (smart cities) станет явью», – подытожил учёный.
О жизни в «умных городах» в рамках шестого технологического уклада и Индустрии 4.0 читайте в нашей новой книге «Проектирование цифрового будущего. Научные подходы. Коллективная монография».
Перевод ©РИЦ ТЕХНОСФЕРА, ©Cambridge University. При копировании материала обязательно указывайте ссылку на источник
Комментарии читателей
Ждём внедрения технологии в производство