Lo stabilizzatore di polimero residuo provoca conduttività anisotropa in nanoparticelle metalliche 2D e elettronica stampata in 3D

I RICERCATORI SCOPRONO RESIDUI DI STABILIZZANTE NEGLI INCHIOSTRI DIETRO LA PERDITA DI CONDUTTIVITÀ NELL’ELETTRONICA STAMPATA IN 3D

I ricercatori dell’Università di Nottingham e del National Physical Laboratory (NPL) hanno condotto un nuovo studio che conclude che gli strati sottili di residui di stabilizzanti organici negli inchiostri a nanoparticelle metalliche (MNP) sono la ragione di una perdita di conduttività nei materiali stampati in 3D e nell’elettronica.

Mentre la ridotta conduttività verticale attraverso l’elettronica stampata in 3D è stata attribuita a problemi di forma e continuità fisica tra le nanoparticelle in passato, i ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle d’argento per mostrare, secondo quanto riferito per la prima volta, che la conduttività ridotta è effettivamente causata da residui chimici organici nel inchiostri utilizzati.

“È noto che la conduttività delle nanoparticelle metalliche stampate a getto d’inchiostro dipende dalla temperatura di lavorazione e in precedenza era stata attribuita ai cambiamenti nella forma e nella porosità delle nanoparticelle raggruppate, il ruolo dei residui organici è stato solo ipotizzato”, ha affermato il dottor Gustavo Trindade, responsabile Autore dello studio e ricercatore del Center for Additive Manufacturing (CfAM).

“QUESTA NUOVA INTUIZIONE CONSENTE LO SVILUPPO DI PERCORSI PER SUPERARE L’ANISOTROPIA FUNZIONALE NELLE NANOPARTICELLE A GETTO D’INCHIOSTRO E QUINDI MIGLIORERÀ L’ADOZIONE DI QUESTA TECNOLOGIA POTENZIALMENTE TRASFORMATIVA, RENDENDOLA COMPETITIVA CON LA PRODUZIONE CONVENZIONALE”.

Gli inchiostri contenenti MNP sono tra i materiali conduttivi più comunemente usati per l’elettronica stampata in 3D. In genere, la stampa 3D a getto d’inchiostro viene utilizzata per formare oggetti solidi attraverso un processo in due fasi che coinvolge l’evaporazione del solvente durante la stampa e il consolidamento a bassa temperatura di nanoparticelle tramite sinterizzazione.

La stampa a basse temperature è fondamentale per il successo del processo, poiché in molte applicazioni le nanoparticelle vengono stampate insieme ad altri materiali organici funzionali e strutturali sensibili alle temperature più elevate.

Il processo di stampa 3D a getto d’inchiostro consente un’eccellente flessibilità di progettazione, elaborazione rapida e stampa di dispositivi elettronici funzionali come sensori, display a LED, transistor e pannelli solari. Tuttavia, gli strati stampati di MNP hanno diversi livelli di conduttività elettrica tra le loro direzioni orizzontale e verticale, un effetto noto come anisotropia funzionale, che ha precedentemente ostacolato l’uso dell’elettronica stampata in 3D per applicazioni avanzate .

L’anno scorso, i ricercatori di CfAM hanno riportato una svolta nella stampa 3D a getto d’inchiostro di dispositivi elettronici con grafene , che hanno indicato come un passo promettente verso la sostituzione del grafene monostrato come materiale di contatto per semiconduttori metallici 2D.

Altrove, il Danish Technological Institute (DTI) ha studiato la stampa 3D a getto d’inchiostro di dispositivi elettronici utilizzando i propri inchiostri conduttivi nano-rame e nano-argento sviluppati.

Lo studio dell’Università di Nottingham e NPL è stato condotto dal CfAM nell’ambito di una sovvenzione del programma finanziato dall’EPSRC di 5,85 milioni di sterline, Enabling Next Generation Additive Manufacturing.

Generalmente, i residui chimici organici vengono aggiunti agli inchiostri MNP stampabili in 3D per stabilizzare i nanomateriali, il che porta alla formazione di strati nanometrici molto sottili ea bassa conduttività che possono interferire con la conduttività elettrica di un oggetto stampato in 3D lungo la direzione verticale.

I ricercatori hanno dimostrato che una scarsa conduttività elettrica inter e intra-strato nelle strutture d’argento prodotte tramite la stampa a getto d’inchiostro 3D è il risultato di un’evoluzione combinata dell’interfaccia chimica e morfologica durante la fase di sinterizzazione a bassa temperatura del processo di stampa. Il polimero residuo ha portato a una riduzione della conduttività anisotropa accumulandosi all’interfaccia di strati stampati impilati verticalmente.


Per osservare da vicino la conduttività delle strutture stampate, i ricercatori hanno utilizzato uno strumento 3D orbiSIMS all’avanguardia che consente l’imaging chimico 3D senza etichetta di materiali ad altissima risoluzione. Utilizzando orbiSIMS, i ricercatori sono stati in grado di identificare e comprendere la distribuzione degli additivi organici residui all’interno degli strati stampati e i loro effetti.

Andando avanti, il team spera di utilizzare queste informazioni e applicarle allo sviluppo di nuove tecniche e formulazioni di inchiostri per superare l’anisotropia funzionale dell’elettronica stampata in 3D a getto d’inchiostro. Una possibile strategia che suggeriscono nello studio è convertire le fasi di post-elaborazione in fasi di elaborazione in situ, o l’uso di metodi di post-elaborazione aggiuntivi per la fase di sinterizzazione del processo di stampa a getto d’inchiostro.

“Il nostro approccio è trasferibile ad altri inchiostri basati su nanomateriali, inclusi quelli contenenti grafene e nanocristalli funzionalizzati, e consentirà lo sviluppo e lo sfruttamento di elettronica stampata in 2D e 3D come sensori flessibili e indossabili, pannelli solari, display a LED, transistor e tessuti intelligenti. “, Ha detto Trindade.

Maggiori informazioni sullo studio possono essere trovate nel documento intitolato “Lo stabilizzatore di polimero residuo provoca conduttività anisotropa in nanoparticelle metalliche 2D e elettronica stampata in 3D” , pubblicato sulla rivista Nature, Communications Materials. Lo studio è co-autore di G. Trindade, F. Wang, J. Im, Y. He, A. Balogh, D. Scurr, I. Gilmore, M. Tiddia, E. Saleh, D.Pervan, L. Turyanska , C. Tuck, R. Wildman, R. Hague e C. Roberts.

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