(gauche) Impression numérique à jet d'encre d'encres contenant des nanoparticules métalliques avec évaporation de solvant in situ (épinglage). (à droite) Images optiques et chimiques d'une couche imprimée de nanoparticules d'argent montrant des résidus organiques à la surface Crédit :Gustavo Trindade
Les encres contenant des nanoparticules métalliques sont parmi les matériaux conducteurs les plus couramment utilisés pour l'électronique imprimée. Les couches à jet d'encre de matériaux MNP permettent une flexibilité de conception sans précédent, traitement rapide et impression 3D de dispositifs électroniques fonctionnels tels que capteurs, panneaux solaires, affichages LED, transistors et textiles intelligents.
L'impression 3D à jet d'encre de métaux forme généralement un objet imprimé solide via un processus en deux étapes :l'évaporation du solvant lors de l'impression (épinglage) et la consolidation ultérieure à basse température des nanoparticules (frittage). La basse température est importante car dans de nombreuses applications, les nanoparticules sont co-imprimées avec d'autres matériaux organiques fonctionnels/structurels qui sont sensibles aux températures plus élevées.
Cependant, les couches produites par impression à jet d'encre de nanoparticules métalliques ont une conductivité électrique différente entre les directions horizontale et verticale. Cet effet est connu sous le nom d'anisotropie fonctionnelle et est un problème de longue date pour l'impression 3D de dispositifs électroniques fonctionnels, empêchant son utilisation pour des applications avancées.
On pensait auparavant qu'une conductivité verticale réduite à travers un dispositif imprimé était principalement causée par des problèmes de forme et de continuité physique aux interfaces des nanoparticules constitutives (à la très petite échelle micro et nanométrique). Cependant, Les chercheurs de Nottingham ont utilisé des nanoparticules d'argent pour montrer, pour la première fois, qu'elle est causée par des résidus chimiques organiques dans les encres.
Ces résidus, qui sont ajoutés aux encres pour aider à stabiliser les nanomatériaux, conduire à la formation de faible conduction, des couches nanométriques très minces qui interfèrent avec la conductivité électrique de l'échantillon imprimé dans le sens vertical.
Un prototype imprimé en 3D à jet d'encre multi-matériaux d'un capteur de contrainte encapsulé utilisé dans l'étude Crédit :Gustavo Trindade
Avec une meilleure compréhension de la répartition des additifs organiques résiduels au sein des couches imprimées, les chercheurs espèrent continuer à définir de nouvelles techniques et développer de nouvelles formulations d'encre pour surmonter l'anisotropie fonctionnelle de l'électronique imprimée en 3D à base de jet d'encre.
Auteur principal, Chercheur CfAM Dr. Gustavo Trindade, mentionné, « La conductivité des nanoparticules métalliques imprimées par jet d'encre est connue pour dépendre de la température de traitement et a déjà été attribuée à des changements dans la forme et la porosité des nanoparticules en cluster, le rôle des résidus organiques n'étant que spéculé."
"Cette nouvelle idée permet le développement de voies pour surmonter l'anisotropie fonctionnelle dans les nanoparticules à base de jet d'encre, et améliorera donc l'adoption de cette technologie potentiellement transformationnelle, la rendant compétitive par rapport à la fabrication conventionnelle. Notre approche est transférable à d'autres encres à base de nanomatériaux dont celles contenant du graphène et des nanocristaux fonctionnalisés, et permettra le développement et l'exploitation d'électronique imprimée en 2D et en 3D comme des capteurs flexibles et portables, panneaux solaires, affichages LED, transistors et textiles intelligents."
L'étude a été réalisée par le Centre de fabrication additive (CfAM), dans le cadre de la subvention de programme financée par EPSRC de 5,85 millions de livres sterling, Permettre la fabrication additive de nouvelle génération. Leurs résultats sont publiés dans un nouvel article intitulé "Le stabilisateur de polymère résiduel provoque une conductivité électrique anisotrope lors de l'impression à jet d'encre de nanoparticules métalliques" dans la revue Nature. Supports de communication.
Les chercheurs ont utilisé la sensibilité chimique unique d'un instrument orbiSIMS 3D de pointe appartenant à l'Université de Nottingham. Le Nottingham orbiSIMS - le seul d'une université britannique - permet une imagerie chimique 3D sans étiquette de matériaux à très haute résolution, révélant des idées qui ont éclairé cette étude.
