咖啡環效應激發了電子產品的最佳噴墨列印技術

咖啡環效應激發了電子產品的最佳2D材料與晶圓級噴墨印刷技術

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墨水與石墨烯，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。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墨水系列，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。

二維（2D）晶體噴墨印刷的最新進展顯示了下一代印刷電子技術的發展前景。但是，列印不均勻會導致設備性能的再現性較差，並且仍然是其大規模生產的主要障礙。挑戰的核心在於咖啡環效應（CRE），即在沉積後乾燥過程中形成的環狀不均勻沉積物。我們目前對二元溶劑墨水配方的乾燥機理進行實驗研究。我們顯示，在此配方中，Marangoni增強的散布抑制了接觸線的釘扎並使液滴形狀變形，從而自然地抑制了引起CRE的毛細流動。這種通用配方可支持2D晶體及其衍生物的均勻沉積。

乾燥液滴的顆粒軌跡，紅色箭頭顯示軌跡的終點。

形成咖啡環的原因是，液體在邊緣處蒸發得更快，導致固體顆粒堆積，形成了特徵性的黑環。墨水的行為就像咖啡一樣-墨水中的顆粒在邊緣周圍積聚，形成不規則的形狀和不平坦的表面，尤其是在矽晶片或塑料等堅硬的表面上列印時。

由劍橋大學劍橋石墨烯中心的Tawfique Hasan，杜倫大學化學系的Colin Bain和北航大學電子與信息工程學院的Meng Zhang領導的研究人員研究了結合墨滴的物理學高速顯微攝影，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《Science Advances》雜誌上。

咖啡環效應。

乾淨的玻璃上乾燥的噴墨列印液滴的倒置光學顯微照片：（A到C）普通溶液處理的2D晶體分散體（S1和S2部分）。（D至H）通過在IPA或IPA /乙醇（10體積％），IPA / 2-丁醇（10和20體積％）和IPA / 叔丁醇（10體積％）的二元溶劑中的溶劑交換來配製的油墨。比例尺，50μm。亮度和對比度經過優化以提高清晰度。MoS 2是2D晶體示例。基板是60°C下的Si / SiO 2。（I）示意性乾燥過程，顯示了CRE的形成。

我們先前發現的黑磷均勻沉積物推測，Marangoni效應（由表面張力梯度引起的流動）可能是抑制混合醇油墨中CRE的決定性因素。然而，缺乏對這些油墨的乾燥機理的詳細實驗理解，這是該方法在更廣泛的2D材料家族中的適用性的關鍵。在這裡，通過新的實驗研究，據我們所知，我們提出了一種天然抑制CRE的新機制，並使對所用醇類選擇的敏感度合理化。我們提出了一種用於油墨配方的通用設計原理，以印刷2D晶體及其衍生物的均勻圖案，從而可擴展製造具有高度可複製特性的平面功能設備，例如氣體傳感器和光電導體。

我們在墨水配方中研究基於異丙醇（IPA）的酒精混合物。IPA被廣泛用作圖形油墨的溶劑，最近還被用作2D晶體油墨的溶劑。它支持2D晶體納米薄片的亞穩態分散，其低表面張力確保基材的良好潤溼性。

圖3 二維晶體的噴墨列印。

圖4 具有相同的列印到列印功能特徵的噴墨列印圖案。圖片來源：胡國華，劍橋大學和香港中文大學。

（A）超快光纖雷射腔的示意圖，顯示了4×8噴墨列印的2H-MoS 2 SA 陣列的集成。（B）頻譜圖說明了超短雷射脈衝生成的演變。（C）隨機選擇的16個SA器件的測量脈衝持續時間τ的高斯擬合。（D到F）全噴墨印刷的RGO /的α-Fe 2 ö 3 5×10傳感器陣列上PET。比例尺，100μm。（G）測量的響應度（R 氣體的高斯擬合）（器件電阻的變化）為百萬分之一的NO 2。不安裝三個短路裝置。（H）在3英寸晶片（直徑76毫米）上的100×45噴墨列印的MoS 2光電探測器陣列的照片，其中在交叉指狀金電極上均勻列印的2H-MoS 2充當有源層。圖片提供：王玉波，劍橋大學和浙江大學。（I）> 300臺設備的照片，顯示了視覺上相同的印刷MoS 2陣列。比例尺，2毫米。（J）單個光電探測器的光學顯微照片。比例尺，100μm。（K）SEM顯微照片，顯示在假彩色叉指電極上的薄片均勻分布。比例尺，10μm。（L）隨機選擇的50個器件陣列在635 nm，5 V的40μW照明下測得的響應度R photo的高斯擬合。六個器件短路並從擬合中排除。

通過實驗觀察，我們介紹了一種新的乾燥機制，該機制使用Marangoni（由表面張力梯度引起的流動）增強的撒布方式通過接觸線解開和液滴變形來抑制CRE。利用此配方進行2D晶體的噴墨列印可實現可擴展的設備製造，並具有高度一致和可複製的特性。對該機理的進一步了解可以使溶劑混合物適用於此處所研究的混合物之外，從而大大擴展了其在2D晶體和其他材料平臺（包括納米顆粒和有機物）的廣泛應用範圍。如此廣泛的光學和電活性材料及其混合物的可靠印刷將大大促進複雜新興器件的製造。

哈桑說：&34;

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了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：&34; &34;

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&34;，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&34;以及納米結構材料。研究人員說，他們的油墨配方還可以印刷純的納米顆粒和有機分子，這些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，電池和功能性塗層。

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。

哈桑說：&34; &34;

原題：

A general ink formulation of 2D crystals for wafer-scale inkjet printing"