无机印刷电子外文翻译资料

 2022-07-12 13:52:15

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无机印刷电子现在被认为是一个巨大的商业，潜力和技术进步领域。许多研究小组在世界范围内积极参与开发用于使用不同印刷技术印刷无机/有机材料的金属纳米粒子墨水和前体。 这篇评论文章主要关注喷墨印刷金属结构及其应用。它包括油墨配方，最佳的液滴形成以及底层基材上的印刷图案的粘附以及初始油墨设计中要考虑的后处理如烧结。除了一些通过图案化固体表面（例如玻璃和氧化硅）展示油墨配方方面的实例之外，还将特别强调用于塑料和纸张电子产品的兼容性。将讨论铜，银，金等纳米粒子的印刷，并将与印刷各种金属有机前体油墨进行比较。最后，提供了使用印刷的无机纳米粒子/材料的示例性应用的简要说明。

1. 简介

印刷电子是世界上发展最快的技术之一。电子设备的生产在过去几十年里逐渐增加印刷领域继续从纸质印刷文本到印刷电子产品在很多材料上蓬勃发展，如纺织品聚合物箔等。诸如集成电路，2个传感器，3,4个电池，5个显示器，6个射频识别标签（RFID），7,8个薄膜晶体管（TFT）9和照明系统10等装置包括当前技术的巨大部分对于工业，社会和科学的进步来说，它是必不可少的。据一项调查显示，到2028年，柔性有机和印刷电子产品市场可能会猛增至3000亿美元以上，达到材料和化学品行业.11因此，印刷工艺和最终产品对工业至关重要。

研究减少材料或制造成本，以及开发用于显示应用的新型平台，这一领域吸引了当之无愧的兴趣。尽管增材制造12在市场和行业中正在兴起，但没有其他技术能够实现与印刷电子产品一样多的创新应用。由于喷墨打印由于其多种应用而成为一个至关重要的话题，许多研究小组都参与了学术界在此基础上开发的技术，涉及多个方面。因此，其他几篇评论文章已经出现，涵盖了这个话题或其中的某些方面。 Perelaer等13着重介绍了使用含金属和金属氧化物的油墨前驱体在接触和互连的准备工作中，包括所涉及的烧结方法。 Kamyshny等14讨论了含有金属纳米粒子，复合物和金属有机化合物的油墨的制备及其印刷，然后通过烧结方法获得导电图案及其在印刷电子学中的应用。陈等人。重点关注通过喷墨印刷技术制作导电轨道材料选择和印刷适性问题方面的最新发展。Schubert等人讨论了所有重要的烧结技术，其中涉及高通量制造工艺的机制和兼容性以及柔性电子设备生产的详细应用.16最近在印刷技术方面的发展是这篇评论文章的目标，其中包括许多印刷制造方法无机纳米粒子/材料由于印刷后获得的无机图案，薄膜等的不同方面和随后的应用而在塑料或纸等柔性材料上。

诸如真空沉积，17,18减法技术19和光刻20等技术涉及多个步骤，高处理温度和高成本，这导致大量有毒废物的基因定量。相比之下，由于快速，简单，廉价和低温加工性，印刷工艺是传统图案化技术的有吸引力的替代方案.21-23使用印刷技术制造涉及与硅电子器件非常相似的执行电功能（导电，半导体，绝缘，磁性和光学等）的若干特征，例如薄膜，涂层等。无论采用哪种技术，在电子学领域进行印刷通常涉及以某种特定图案的形式沉积功能性前体油墨。它们在许多基材如玻璃，硅，纸和聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN），聚对苯二甲酸丁二醇酯聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚丙烯等。这些聚合物箔具有相对较低的玻璃化转变温度（Tg），这往往限制了更昂贵的聚合物如聚酰亚胺（PI）的选择。基于溶液的材料被印刷在上述基板上以产生（子）微电子图案和大电子图案。

印刷图案需要在最佳温度下进行烧结，这取决于基材的限制。在从基底去除或分解有机材料之后，烧结材料建立直接的物理接触，这导致整个印刷特征中的连续和导电网络。从电子的观点来看，墨水本质上可以是金属的，半导体的或绝缘的，而不管为了获得所需的印刷图案而添加其他必需的组分。对于日益复杂的印刷设备，需要更多不同的材料，因此需要在不同的加工条件下建立适用于不同基材和下层的油墨库。用金属进行表面图案化时，金属 - 有机分解（MOD）和金属纳米粒子（NP）油墨用于印刷过程.14,24每种类型的前体油墨都有优点和缺点，与印刷图案的质量无关。

MOD油墨可减少喷嘴堵塞并且不需要胶体稳定剂。相反，NP油墨与高金属负载相关，其具有低接触电阻25,26和26 可以商购。 与无机导体相比，有机导体更轻，更灵活，成本更低。有鉴于此，有机导体在高性能不是必需的应用中是合适的替代方案27,28或者需要开发不同性能的应用，例如负电容29或负超级电容.30然而，导电有机物并不是那么快，作为无机材料如硅或铜等。随着人们/组织在许多方面与印刷有机物的表现发生冲突，印刷无机物方面的工作越来越多。经过最初的快速发展，用完全溶液处理或印刷的有机半导体实现的器件迁移率已经停滞在0.1-0.6cm2 V 1 s左右1.31,32由金属纳米粒子制成的印刷电子

器件具有更好的直流电导率（B104-105 S cm 1）比导电聚合物（B10-102 S cm 1）.33许多无机半导体具有高载流子迁移率和优异的稳定性.34这就是印刷无机电子元件在工业应用中发挥重要作用的原因。鉴于此，对于最好的印刷电池和具有优异的迁移率的晶体管半导体，导电性更好的导体寻找新的无机物。无机印刷材料/电子产品现在被认为是巨大的商业，潜力和技术进步领域。

2.打印类型

最古老的活字印刷术是由德国约1450年的J.Guttenberg发明的，它导致了字母通信的多样化生产.35如今，所有活动印刷都源于古腾堡的印刷，机械转印过程与化学过程相比起主要作用。存在四种传统的大规模印刷技术，即柔版印刷，凹版印刷，成套印刷和丝网印刷，这些被称为接触印刷技术。传统的印刷技术在油墨转移期间对基材施加压力。相反，在诸如喷墨和气溶胶喷射的数字印刷过程中，油墨以液滴的形式从喷嘴喷射到基底上以形成数字图像。在数字印刷技术中，没有压力施加到基材上，这就是为什么他们被称为非冲击技术。鉴于此，喷墨印刷是非接触式印刷技术。本综述着重于喷墨的各个方面 打印。其他评论总结了其他基于接触印刷的方法[37-40]非接触式印刷技术 非接触技术可以用于任意衬底而不施加机械压力或损坏预先形成图案的部件。在此，基材仅与墨水接触，这是负责组成印刷特征的。这种无影响的印刷技术降低了损坏和污染的风险，这是由印刷工具和基材之间的接触引起的接触印刷技术中的主要问题。喷墨打印还可以与基板上的不同图案进行适当对齐，这对于以高精度和分辨率对多层设备进行图案处理非常重要。相比之下，接触印刷技术不适用于多层器件。

2.1.喷墨打印

喷墨印刷是用于直接图案化称为前体或墨水的溶液基材料的速新兴技术之一。在这种技术中，固定量的墨水通过喷头从储存器以液滴的形式喷出。释放的墨滴在重力作用下落到基材（箔）上以形成特征。印刷油墨的固化通过溶剂蒸发，结晶等多种工艺进行。在大多数情况下，通过加热至高温来进行后处理处理，例

如热退火或烧结以除去溶剂和其他添加剂.21 ，41喷墨打印因为它的准确沉积和最小的废物产生而成为高效的技术。重要参数如油墨粘度，表面张力和喷嘴直径在印刷前进行了优化。使用这种技术，可以通过计算机控制的翻译阶段和墨水分配器以明确定义的图案形式存放皮升量的溶液，从而促进生成不同的复杂图案。喷墨打印机的这种直接写入能力会丢弃使用物理蒙版或模板。因此，节省了大量成本，有效利用了材料并消除了废物，这使得喷墨印刷技术对于许多工业和科学应用而言是有趣的。

通常，喷墨打印机有两种不同的功能模式：连续或按需滴落（DOD）。

连续喷墨打印，在连续喷墨印刷过程中，油墨通过一个腔室传送，通过一个喷嘴从该腔室出来，从而形成液体射流。从液体射流中出来的液体流是不稳定的，并倾向于在其下分解成液滴 即表面张力的影响，即所谓的高原 - 瑞利不稳定性[41]。每个液滴在其形成后穿过静电场，因此在离开液流时获得静电荷。然后，带电液滴撞击由静电检测场指引的衬底。如图2所示，不带电荷的液滴进入回收槽进行回收利用。“连续”一词与不产生中断的液滴的产生有关，随后沿着轨迹导航，这由所施加的电荷量改变。通过偏转液滴并适当地移动衬底，图案是 形成在基底上。该技术主要用于高速图形应用，如纺织品印刷22和标签等。

按需喷墨（DOD）喷墨打印，在DOD喷墨印刷中，通常使用两种类型的致动器来产生脉冲，例如热传感器和压电传感器。

在热DOD喷墨打印机中，油墨通过加热进行加热 元件位于靠近喷嘴的墨腔中。产生蒸汽泡沫，驱出墨滴。22,41 热DOD涉及少量墨水的蒸发，可以通过该方法喷射的材料应当相对易挥发或至少具有挥发性组分。鉴于此，热DOD喷墨打印机通常使用水作为溶剂。在压电DOD喷墨印刷中，在电场的影响下，通过压电换能器的机械变形释放墨滴。当压电致动器施加一定的电压时，由于体积变化而形成压力波42.当正压力波接近喷嘴时，墨水被向外推动，结果如图所示喷射墨滴图3.压电DOD喷墨印刷通常基于压电材料的变形/波动以引起体积的突然变化，因此适用于各种溶剂。因此，由于其较小的墨滴尺寸和较高的贴装精度，DOD喷墨打印通常是首选方法。通过改变驱动电压，可以在压电DOD打印头中调节液

滴离开打印头的液滴大小和速度.42基于DOD喷墨打印的原理，Chiolerio等[43]介绍了两种不同的打印技术，通过向通道中的液体墨水施加压力脉冲，从喷嘴喷出少量墨水。一种是DOP技术，另一种是POF技术。 DOP技术涉及将墨滴滴落到期望的区域上，其中用户完全控制墨滴的数量和确切的位置，其中必须完成打印。相反，在POF方法中，图案以连续方式打印在样本上，直到设置的图案完成。两种印刷方法之间的主要区别在于，在DOP印刷过程中，在喷射时，印刷头和平台都是静止的。相反，POF不断涉及舞台的运动在每个阵列元件处喷射微滴。研究发现POF方法中滴的产生高于DOP方法，这导致印刷图案的不同性质/活性.43

2.2.电流体动力学（EHD）喷印

尽管喷墨印刷适用于图案化，但由于其基于解决方案的属性，其分辨率受到高度限制。用于印刷纳米材料解决方案的直接喷墨印刷技术由于其工艺和特性强烈依赖于溶液性质等问题而出现诸如喷嘴堵塞，污染斑点，边缘清晰度不清楚以及对最小线宽（通常为450 mm）的限制等问题。作为粘度和表面张力等。44-46另外使用微量液滴的印刷工艺导致较慢的工作速度，这导致较低的生产量。因此，EHD喷印是作为这些喷墨印刷设备的替代品而开发的，它利用不同的手段产生液滴.47在热敏和压电印刷机中，由于需要极高的压力水平，很难从小喷嘴喷射液体以克服毛细作用力[48]。相反，使用外加电场很容易将液体从喷嘴尖端拉出

对于EHD喷墨印刷，在导电喷嘴和基材之间产生施加的电压/电势。施加到喷嘴尖端的电压导致墨水中的可移动离子（由预先安装的储存器提供）积聚在喷嘴尖端（内径B100nm）的表面附近。离子之间的相互库仑排斥在液体表面引入了一个切向应力，这与基底的静电吸引力一起使弯月面变形为一个称为泰勒锥的圆锥形[47,50]。在足够高的电场下，液滴当静电应力克服表面张力并且喷射液滴通常小于喷嘴直径时，从锥形喷射。即使使用低导电率（10 13至10 3 S m 1）的液体，也可以进行印刷.51同时调整基板位置和喷射液滴可以实现油墨材料的图案化沉积。 EHD喷墨印刷的三个方面允许高分辨率操作：（i）喷嘴的内径小于喷墨印刷中使用的内径，（ii）电动力学动力学产生的液滴可以显着小于该直径，（iii）聚焦到期到电场线的分布最小化了液滴放置的横向变化

这项技术已成功用于制造许多电子设备[47,52]和生物系统[53]。过去几年，EHD印刷作为一种可行的印刷技术，尤其是在微米和纳米尺寸范围内正在获得动力.54-56图形化各种几何形状的各类油墨以及功能电路和传感器的印刷实例，展示了EHD印刷的各种实例/应用，47暗示微细毛细管喷嘴可在微/纳米级范围内创建器件。

2.3.磁性印刷

在早期，磁性印刷已被用作复制数字信息的有效方法，例如在软盘上以光盘形式光刻嵌入到记录介质上的伺服信号.57,58磁场微变形剂建立了使用虚拟调制器作为模板来组装非磁性和磁性颗粒的研究59.这些具有特殊图案的模板是由高磁导率材料（HMPM如铁）和低磁导率（LMPMs，如铝，空气和聚合物等）60,61当调制器放置在均匀的磁场中时，磁性指示通量趋向于通过HMPM并绕过LMPM，从而导致非线性，均匀的磁场。此外，磁通量密度在HMPMs以上增加并且在磁通量指示磁通量和磁场方向垂直时降低到LMPM以上。因此，如果顺磁性粒子在磁场中被喷射到调制器表面上，则粒子将被吸引到HMPM区域.62

在喷墨印刷时代，当磁流体从喷嘴中被磁场拉出时，进行磁性液体的全磁印刷以破碎成液滴是一项长期任务.63似乎很难形成磁性液滴主要是因为磁流体总是形成一个长的液桥，将液滴与喷嘴连接起来.64因此，磁流体的喷射被认为是实现完全磁DOD的障碍。另一方面，与其他设计用于仅在气体环境中打印液滴的DOD技术相比，磁性DOD技术认可在任何气态或液态介质内打印磁性液滴，这使得该技术具有吸引力.65最近，对打印磁性材料的兴趣是通过控制靶上磁性颗粒排列的方法得以恢复.66磁性图案化的样品显示出显着增加的高频渗透性。

Vekselman等人.65 接着采用磁性印刷方法印刷磁性颗粒，通过证明液滴可以通过施加的磁场从储存器中抽出，而不需要流体动力推动或任何其他机械搅拌液体表面。 Vekselman等人将磁性流体滴落到钨丝上，钨丝用作液滴固定器。使用由带有铁芯的铜线制成的线圈枪产生与线圈边缘有一定距离的非均匀磁场。因此，在到达目标的途中，液滴会加速并断开将液滴连接到液滴固定器的液桥。这种由Vekselman等人设计的磁性印刷方法用于空气和水下的DOD生成导致可

靠，可控和可预测的各种尺寸和组成下降。65

3.选择打印材料

印刷过程中的许多因素，如油墨性能，喷射稳定性和热处理等等，都是必不可少的。制作具有所需线宽和导电性的合适涂层/图案。考虑到这些因素，许多团队使用大量前体墨水制造了合适

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