Compositi conduttivi in fotopolimero di argento e nanofili: stampa 3D per una maggiore funzionalità
Un folto gruppo di ricercatori si è riunito per esplorare di più sugli additivi e sulle nuove combinazioni di materiali nella stampa 3D, delineando le loro scoperte nella recente pubblicazione ” Stampa funzionale di compositi fotopolimerici d’argento-nanofilo conduttivo “.
Spiegando che l’uso di polimeri nella stampa 3D – e le sfide intrinseche che vi si trovano – ha causato limitazioni significative, i ricercatori hanno sperimentato compositi di polimeri d’argento-nanofilo, rilevando che gli strati conduttivi possono essere fondamentali per specifiche esigenze di produzione come le applicazioni elettroniche; tuttavia, i compositi devono essere forti contro la resistenza al tunnel (poiché gli elettroni si trasferiscono da una nanoparticella all’altra) e precedenti ricercatori hanno faticato a creare materiali con conduttività adeguata a causa di problemi come l’agglomerazione e il forte assorbimento dei fotoni. Con i nanofili, è disponibile un altro percorso in quanto “elude la resistenza del tunnel nella direzione del filo”.
I compositi in argento-nanofilo (Ag-NW) offrono “processi scalabili” che richiedono conducibilità, per includere:
Elettronica
Schermi touch
Fotovoltaico integrato
Dispositivi optoelettronici avanzati
biosensori
I campioni sono stati rivestiti con uno strato Ag-NW, polimerizzato con luce UV e quindi sintetizzato tramite la via del poliolo. Il risultato sono stati i nanofili che presentavano rapporti di aspetto elevati, in questo caso, da 100 a 1000. Le resine tendono a comprimersi durante l’indurimento, con il restringimento della matrice che preme sui nanofili durante il processo di polimerizzazione. La mancanza di densità comporta anche una maggiore sensibilità per le connessioni e le reti di nanofili.
Durante l’aumento della concentrazione di nanofili, si è verificata una riduzione della trasmittanza e una conduttività ottimizzata a concentrazioni di nanofili piuttosto basse, dimostrando una “delicata interazione” tra la matrice polimerica e la rete Ag-NW. I ricercatori hanno anche scoperto che la rugosità superficiale era a 110–160 nm per i compositi Ag-NW, attribuita alla rugosità del polimero.
“Questi risultati mostrano che i materiali compositi in polimero Ag-NW possono agire come materiali competitivi per la conduzione di elettrodi trasparenti alla luce”, hanno affermato i ricercatori.
Durante le fasi iniziali della sintesi, si sono formati semi gemellati cinque volte, con struttura pentagonale e cime gemellate di Ag-NW confermati durante le valutazioni SEM (anche se non applicabile per il materiale). La morfologia pentagonale è stata stabilita quando i ricercatori hanno simulato le caratteristiche chiave del modello GISAXS, tramite software specializzato.
Per la stampa 3D, il team di ricerca ha fabbricato un condensatore composto da Ag-NW e fotopolimeri flessibili da Formlabs . Non solo sono stati in grado di mostrare il potenziale dell’elettronica stampata in 3D, ma anche il ruolo che i compositi svolgono nel migliorare la funzionalità.
“Applicando due polimeri diversi, abbiamo fabbricato compositi con proprietà diverse che sono stati testati per due applicazioni specifiche. Innanzitutto, abbiamo ottimizzato i compositi Ag-NW per l’uso come contatti superiori trasparenti sintonizzando la concentrazione Ag-NW all’interno di una matrice polimerica resistente e trasparente basata su HDDA. Abbiamo raggiunto una resistenza del foglio di 13Ω / sq e una trasmissione corrispondente a 700nm del 90% “, hanno concluso i ricercatori. “In secondo luogo, abbiamo utilizzato una matrice polimerica flessibile nel composito per un condensatore flessibile stampato in 3D.
“La capacità di circa 7 pF concorda bene con il valore stimato di circa 5 pF. La nostra caratterizzazione coinvolge GISAXS, che consente lo studio di nanostrutture e interfacce incorporate con elevata rilevanza statistica. Ciò dimostra che GISAXS può sviluppare ulteriormente un’eccellente tecnica per lo studio di nanostrutture incorporate in film stampati in 3D e tecnicamente rilevanti. “
Caratterizzazione e stampa 2D del resistente composito polimerico Ag-NW. (a) Impatto della reticolazione del polimero sulla conduttività composita Ag-NW confrontando le resistenze del foglio delle reti Ag-NW (punti neri) e compositi Ag-NW (punti rossi) per 3 diverse densità Ag-NW (26 µg / cm2 , 39 µg / cm2 e 65 µg / cm2). Ad alte densità Ag-NW, la riproducibilità della resistenza misurata del foglio è migliorata, ma l’impatto del rivestimento polimerico sulla conducibilità è ridotto. (b) Trasmissione della luce visibile al vicino infrarosso attraverso i compositi Ag-NW e Ag-NW. Le linee continue indicano i polimeri puri o i film Ag-NW, mentre le linee tratteggiate indicano i compositi Ag-NW. La trasmissione è superiore all’87% per tutti i compositi tra 600 nm e 800 nm normalizzati su un substrato di vetro nudo. Il rivestimento polimerico riduce lo scattering e il refection sull’interfaccia di vetro con conseguente trasmissione migliorata rispetto ad un vetrino nudo. (c) Spessore e rugosità dello strato esemplificativi dei campioni di polimero prodotti: strato di polimero puro, composito multistrato polimerico Ag-NW (7 µg / cm2) e polimero-Ag-NW (22 µg / cm2). Si noti che gli spessori di strato tra 20–300 µm rappresentano gli spessori tipici nella stampa funzionale. Il rapporto spessore / rugosità superficiale è> 1000: 1. (d) Fotografia e immagine al microscopio ottico di una cella solare vuota (monocristallino, 60010, Sol-Expert). Una fotocorrente I di 650 µA è stata misurata durante l’esposizione con una sfera di Ulbricht. (e – g) Fotografie, immagini di microscopia ottica e fotocorrenti misurate di celle solari rivestite ((e) Ag-NWs, (f) polimero, (g) composito). 
Condensatore composito flessibile Ag-NW. (a) Illustrazione della sezione trasversale del condensatore. (b) Fotografia di un condensatore Ag-NW prodotto (10 × 10 mm2
). La linea bianca tratteggiata mostra la posizione della sezione trasversale, che è presentata in (a). (c) Fotografia del condensatore piegato su un’asta di vetro per
dimostrare la sua flessibilità. (d) Vista in sezione trasversale della parte inferiore dello strippato del condensatore con Ag-NWs.Modello GISAXS bidimensionale (2D) dai campioni. (a) Ag-NWs (58 µg / cm2). (b) Ag-NWs (7µg / cm2) rivestito con strato polimerico vulcanizzato UV. (c) polimero indurito con UV. La barra della scala dell’intensità è mostrata sul lato destro. Le tariffe chiare a 36 ° ± 2 ° (indicate da linee rosse) derivanti dalle sfaccettature della morfologia del pentagono a partire dall’orizzonte del campione sono visibili per (a, b). (d) Simulazione delle principali funzionalità di scattering di Ag-NW. (e) Immagine SEM di Ag-NW su un substrato di silicio (densità Ag-NW intorno a 120 µg / cm2). (f) Schizzo dell’Ag-NW sfaccettato (adattato da 44,45). (g) Tagli orizzontali dell’intensità (I (qy, qz1 = 0.63nm − 1)), (h) I (qy, qz2 = 0.78nm − 1), (i) I (qy, qz3 = 0.96nm − 1 ). Tutti i tagli sono normalizzati all’intensità in corrispondenza di I (0, qz1,2,3). Il codice colore corrisponde a (a – c).