咖啡漬激發了電子產品的最佳印刷技術

2020-08-28 科博園

你有沒有把咖啡灑在桌子上？然後，您可能已經觀察到流體力學中最令人困惑的現象之一——咖啡環效應。這種影響阻礙了功能性油墨與石墨烯、2-D材料和納米顆粒的工業應用，因為它使印刷電子設備的行為不規則。

  • 圖註：乾燥液滴的粒子軌跡，紅色箭頭顯示軌跡的終點。

現在，經過多年的研究，該小組的研究人員創建了一個克服這一問題的新油墨系列，從而能夠製造新的電子設備，例如傳感器、光探測器、電池和太陽能電池。之所以形成咖啡環，是因為液體在邊緣處蒸發得更快，導致固體顆粒的堆積，從而形成典型的深色環。油墨的行為就像咖啡一樣——油墨中的顆粒會在邊緣周圍積聚，形成不規則的形狀和不平坦的表面，尤其是在諸如矽片或塑料的堅硬表面上列印時。

由劍橋大學劍橋石墨烯中心的塔夫菲克·哈桑（Tawfique Hasan），杜倫大學化學系的科林·貝恩（Colin Bain）和北京航空航天大學電子與信息工程學院的Meng Zhang，領導的研究人員研究了墨滴的物理性質。高速顯微攝影、流體力學和溶劑的不同組合中的粒子跟蹤。他們的解決方案是：酒精，特別是異丙醇和2-丁醇的混合物。使用這些墨水粒子往往會在液滴上均勻分布，從而產生具有均勻厚度和特性的形狀。他們的結果發表在《科學進展》雜誌上。

哈桑說：「墨滴的天然形式是球形的，但是由於其成分，我們的墨滴呈薄餅狀。」乾燥時，新的墨滴在整個表面上平滑變形，從而始終如一地散布顆粒。使用這種通用配方，製造商可以將噴墨列印作為一種廉價、易於使用的策略來製造電子設備和傳感器。

新油墨還避免使用聚合物或表面活性劑（用於解決咖啡環效應的商業添加劑），但同時阻礙了石墨烯和其他二維材料的電子性能。最重要的是，這種新方法具有可重複性和可擴展性，研究人員設法在矽片和塑料基板上印刷4500種幾乎相同的設備。特別是，他們印製了氣體傳感器和光電探測器，兩者的性能變化很小。以前，即使顯示數百種此類設備的行為不均，也被認為是成功的。

第一作者胡國華說：「了解墨滴的基本行為使我們找到了噴墨列印各種二維晶體的理想解決方案。」 「我們的配方很容易按比例放大，以在矽晶片或塑料上印刷新的電子設備，甚至在噴漆和可穿戴設備中印刷，已經達到或超過了印刷設備的可製造性要求。」

除石墨烯外，該團隊還優化了十幾種包含不同材料的油墨配方。其中一些是石墨烯的二維「表親」，例如黑磷和氮化硼，其他則是更複雜的結構，例如異質結構——不同2-D材料的「三明治」以及納米結構材料。研究人員表示，他們的油墨配方還可以印刷純的納米顆粒和有機分子，這種多種材料可以促進電子和光子設備的製造，以及更高效的催化劑、太陽能電池、電池和功能塗料。


該小組希望很快看到該技術的工業應用。 他們的第一個概念證明——印刷傳感器和光電探測器——在靈敏度和一致性方面已經顯示出令人鼓舞的結果，超出了通常的行業要求。這將吸引對印刷和柔性電子產品感興趣的投資者。

「我們的技術可以加快物聯網中廉價、低功耗、超連接傳感器的採用。」哈桑說， 「智慧城市的夢想將實現。」

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