Naukowcy opracowali metodę drukowania cienkich folii z tlenku metalu w temperaturze pokojowej, w wyniku czego powstają przezroczyste, elastyczne i wysoce przewodzące obwody. Technika ta wykorzystuje ciekły metal do osadzania warstw stałego tlenku, które zachowują swoje właściwości przewodzące nawet w wysokich temperaturach.
Naukowcy opracowali metodę drukowania cienkich folii z tlenku metalu w temperaturze pokojowej i z powodzeniem wykorzystują tę metodę do tworzenia przezroczystych i elastycznych obwodów, które są zarówno wytrzymałe, jak i mogą pracować w wysokich temperaturach.
„Tworzenie tlenków metali przydatnych w elektronice tradycyjnie wymagało użycia specjalistycznego sprzętu, który jest powolny, kosztowny i działa w wysokich temperaturach” – mówi Michael Dickey, współautor artykułu na temat tej pracy oraz Camille i Henry Dreyfusowie Profesor Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej na Uniwersytecie im Uniwersytet Stanowy Karoliny Północnej. „Chcieliśmy opracować technikę tworzenia i osadzania cienkich warstw tlenku metalu w temperaturze pokojowej, zasadniczo drukując obwody tlenku metalu”.
Rola tlenków metali w elektronice
Tlenki metali są ważnym materiałem występującym w prawie każdym urządzeniu elektronicznym. Większość tlenków metali ma właściwości izolujące elektrycznie (jak szkło). Jednak niektóre tlenki metali są zarówno przewodzące, jak i przezroczyste, a tlenki te mają kluczowe znaczenie dla ekranu dotykowego smartfona lub monitora komputera.
„Zasadniczo tworzenie folii z tlenków metali powinno być łatwe” – mówi Dickey. „W końcu tworzą się naturalnie na powierzchni prawie każdego metalowego przedmiotu w naszych domach – puszek po napojach, garnków ze stali nierdzewnej i widelców. Chociaż te tlenki są wszędzie, mają ograniczone zastosowanie, ponieważ nie można ich usunąć z metali, na których tworzą.
Na potrzeby tej pracy naukowcy opracowali nowatorski sposób oddzielania tlenku metalu od menisku ciekłego metalu. Jeśli napełnisz rurkę cieczą, menisk to zakrzywiona powierzchnia cieczy wystająca poza koniec rurki. Jest zakrzywiony ze względu na napięcie powierzchniowe, które zapobiega całkowitemu rozlaniu się płynu. W przypadku ciekłych metali powierzchnia menisku pokryta jest cienką warstwą tlenku metalu, która tworzy się w miejscu styku ciekłego metalu z powietrzem.
„Wypełniamy przestrzeń między dwoma szkiełkami ciekłym metalem, tak aby mały menisk wystawał poza końce szkiełek” – mówi Dickey. „Pomyśl o slajdach jak o drukarce, a ciekły metal to atrament. Menisk ciekłego metalu można następnie zetknąć z powierzchnią. Menisk jest pokryty ze wszystkich stron tlenkiem, podobnie jak cienka guma otaczająca balon z wodą. Kiedy przesuwamy menisk po powierzchni, tlenek metalu z przodu i z tyłu menisku przykleja się do powierzchni i odkleja się niczym ślad pozostawiony przez ślimaka. Kiedy to nastąpi, odsłonięta ciecz na menisku stale tworzy świeży tlenek, który umożliwia ciągłe drukowanie.
Tworzenie cienkich i stałych warstw tlenku metalu
W rezultacie drukarka nakłada dwuwarstwową cienką warstwę tlenku metalu o grubości około 4 nm.
„Należy zauważyć, że chociaż używamy cieczy, warstwa tlenku metalu osadzona na podłożu jest solidna i niewiarygodnie cienka” – mówi Dickey. „Folia przylega do podłoża – nie jest to coś, co można rozmazać lub rozmazać. To ważne dla obwodów drukowanych.”
Naukowcy zademonstrowali tę technikę w przypadku kilku ciekłych metali i stopów metali, przy czym każdy metal zmieniał skład warstwy tlenku metalu. Badaczom udało się także ułożyć stos warstwowych cienkich folii, wykonując wielokrotne przejścia za pomocą drukarki.
Film przedstawiający technikę. Źródło: Michael Dickey
„Jedną z rzeczy, która nas zaskoczyła, było to, że zadrukowane folie są przezroczyste, ale mają właściwości metaliczne” – mówi Dickey. „Są wysoce przewodzące”.
„Ponieważ folie mają metaliczny charakter, złoto wiąże się z drukowanym tlenkiem, co jest niezwykłe – złoto zwykle nie przykleja się do tlenków” – mówi Unyong Jeong, współautorka artykułu na temat tej pracy i profesor nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Naukowo-Technologicznym w Pohang (POSTECH). „Kiedy do tych cienkich warstw doda się niewielką ilość złota, złoto zasadniczo zostanie w nich zawarte. Pomaga to zapobiegać degradacji właściwości przewodzących tlenku w miarę upływu czasu.”
„Uważamy, że te folie są tak przewodzące, ponieważ środek dwuwarstwowej cienkiej folii zawiera bardzo mało tlenu, jest bardziej metaliczny, a mniej tlenkowy” – mówi Jeong. „Bez obecności złota z czasem do środka cienkiej warstwy warstwowej przedostaje się więcej tlenu, co powoduje, że folia staje się izolująca elektrycznie. Dodanie złota do cienkiej folii pomaga zapobiec utlenianiu środkowej części folii. Fakt, że to działa tak dobrze, jest zaskakujący, ponieważ używamy tak małej ilości złota – cienka warstwa tlenku jest nadal bardzo przezroczysta.”
Wysoka temperatura i elastyczność
Ponadto naukowcy odkryli, że cienkie folie zachowały swoje właściwości przewodzące w wysokich temperaturach. Jeśli cienka folia ma grubość 4 nanometrów, zachowuje swoje właściwości przewodzące aż do prawie 600 stopni Celsjusz. Jeśli cienka folia ma grubość 12 nanometrów, zachowuje swoje właściwości przewodzące aż do temperatury co najmniej 800 stopni Celsjusza.
Naukowcy wykazali także użyteczność swojej techniki, drukując tlenki metali na polimerze, tworząc bardzo elastyczne obwody, które były wystarczająco wytrzymałe, aby zachować swoją integralność nawet po złożeniu 40 000 razy.
„Folie można również przenosić na inne powierzchnie, np. liście, aby tworzyć elektronikę w niekonwencjonalnych miejscach” – mówi Dickey. „Zachowujemy własność intelektualną tej techniki i jesteśmy otwarci na współpracę z partnerami branżowymi w celu zbadania potencjalnych zastosowań”.
Odniesienie: „Druk w otoczeniu natywnych tlenków dla ultracienkich przezroczystych elastycznych płytek drukowanych” autorstwa Minsika Konga, Mana Hou Vonga, Mingyu Kwaka, Ighyuna Lima, Younghyuna Lee, Seong-hun Lee, Insang You, Omara Awartaniego, Jimina Kwona, Tae Joo Shina, Unyong Jeong i Michael D. Dickey, 15 sierpnia 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adp3299
Praca została wykonana przy wsparciu Koreańskiej Narodowej Fundacji Badawczej, finansowanej przez Ministerstwo Nauki, w ramach grantów 2022M3C1A3081359 i RS-2024-00338686.
