Avd. Mater. Zn納米粒子蒸發冷凝介導雷射列印誕生,解決廢舊電子產品不再是問題

2021-01-20 材料人

【引言】


近年來，人們對於最新電子設備需求的增長極大加快了大量電子產品的淘汰速度，產生大量的電子垃圾（每年25106噸），這對環境和生態系統造成了極大的威脅。因此，對可生物降解的電子設備的研究顯得尤為重要。目前，生物可降解電子設備主要是通過對集成電路無水表面進行微加工處理，然後轉移到生物可降解的基質上，但是該過程複雜、耗時且需要真空環境。此外，由於生物可降解金屬材料的熱力學不穩定性，在大氣中容易氧化，使得基於此得到的電子設備難以低成本和大規模生產。


隨著列印產業的興起，基於絲網印刷，通過使用包含一系列生物可降解金屬粉末（譬如鎂、鋅、鎢）的粘合劑，得到了列印電路板線路，但是由於聚合物粘合劑和表面氧化的存在，使其導電率不高且印刷圖案的解析度受到絲網印刷的限制。


最近，可印刷納米粒子溶液雷射燒結的出現，對於微米或納米級柔性電子產品的製備提供了一種經濟環保的解決方法。該方法不需要真空環境且所需模板少，可進行大規模生產。對於貴金屬，譬如金，銀，其納米粒子溶液燒結過程中具有良好的抗氧性，得到的產品導電性較好，但是對於生物可降解的金屬納米粒子的燒結，表面氧化層的形成阻礙了導電性進一步提高。所以，目前來說，低成本、大規模製備環境友好、導電性優異的電子產品是一項十分具有挑戰性的項目。


【成果簡介】


近日，密蘇裡科技大學的Heng Pan以及天津大學的黃顯（共同通訊作者）等人成功地解決了目前生物可降解電子產品製備所存在的問題。他們提出了一種可低成本製備的方案，即通過限定溶液蒸發濃縮區域，對Zn納米粒子進行雷射列印和燒結。該過程避免了材料的表面氧化，可實現納米級的燒結，製備方法簡便、耗時短、無需真空氛圍，所得電子設備導電性優異、機械性能穩定且水溶。這些優點使得其在各種環境友好、可降解的傳感器或電路中的應用具有巨大的潛能。相關研究成果以「Low-Cost Manufacturing of Bioresorbable Conductors by Evaporation–Condensation-Mediated Laser Printing and Sintering of Zn Nanoparticles」為題於2017年4月24日發表在期刊Advanced Materials 上。


[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Heng Pan的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]


【圖文導讀】


圖一、雷射列印和燒結過程示意圖




（a）雷射列印過程技術圖示；
（b）雷射列印的Zn六邊形晶體的典型微結構圖；
（c）雷射列印線路的掃描電鏡圖：Na-CMC的俯視圖和截面圖（雷射參數：400mW，200mms-1）；
（d）在大氣環境下通過雷射數碼列印得到的各種Zn納米粒子的二維圖像，包括條形碼、密蘇裡科技大學的標誌、Na-CMC上的網格圖（插圖表明具有反射性的Zn金屬線的光學圖），以及在Na-CMC基質上構造的手掌大小的電子設備；
（e）在Na-CMC基質上Zn納米粒子所形成的圖形在蒸餾水中的溶解過程。


圖二、 雷射列印處理前後Zn納米粒子的表徵



（a）氬氣保護下，在Zn納米粒子薄膜上未經雷射處理和雷射處理區域的對比；
（b）未經處理的Zn納米粒子的放大EDX圖；
（c）處理後的Zn納米粒子的放大EDX圖；
（d）中空殼結構的高解析度圖；
（e）核殼結構的掃描STEM圖以及相應EDX譜線圖；
（f）雷射列印Zn的放大圖（雷射參數：在空氣中，1mW，30mms-1）；
（g）DSMC模擬以及在空隙中Zn蒸氣壓分布圖；
（h）預測的沉積速率。


圖三、不同處理過程對樣品的影響



（a）氬氣保護下，在Na-CMC上四種不同的列印、燒結方式的掃描電鏡圖：i 沉積、ii 晶體生長、iii 顆粒生長、iv 緻密化；
（b）掃描速率對於在Na-CMC基質上Zn導電率的影響；
（c）掃描速率對於在玻璃基質上Zn導電率的影響。


圖四、印刷電子設備的性能測試



（a）在Na-CMC基質上雷射列印的具有電阻的Zn應變儀，在遭受拉伸或摺疊時測量其應力變化；
（b）在拉伸時應變儀的響應；
（c）在摺疊時應變儀的響應；
（d）在Na-CMC基質上Zn的網格導體並整合形成電路；
（e）Zn網格電子設備不論經歷怎樣的彎曲、摺疊，其上的LED燈始終照明。


【小結】


本文報導了一種低成本、快速製備生物可降解的電子設備的方法。這種方法得到的產品導電性好、性能穩定並且可將金屬納米粒子直接列印在可降解基質上，製備方法簡單。在未來對於環境友好型電子設備的連續生產具有很大的前景。


文獻連結：Low-Cost Manufacturing of Bioresorbable Conductors by Evaporation- Condensation-Mediated Laser Printing and Sintering of Zn Nanoparticles（Avd. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201700172 ）（見下方「閱讀原文」）


本文由材料人編輯部張虞編譯，丁菲菲審核，點擊下方「閱讀原文」進入材料牛報名加入編輯部。


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