打印纳米金属胶体可控组装高精度电路及应用研究

Inkjet-printed electronics is a promising method for large-scale and rapid fabrication of light, thin and flexible electronic products, and it's also a better alternative to conventional photolithography which generates large volumes of hazardous waste and damages the environment. However, little progress has been made during the last decade in inkjet resolution (equivalent to the size of droplet in the range of 20~50 micrometer) which mainly determined by the volume of the droplet. Coffee ring effect is a natural phenomenon, in which process the particles in the colloids are carried to the pinned contact line of the droplet with the surface tension induced capillary flow, and a thicker, narrow perimeter will be formed after the colloids has dried. In this study, coffee ring effect was positively used for inkjet printing high resolution electric circuits. Though coordinate adjustment of the metal nanoparticle colloids and modification of the substrate surface property, inkjet printed lines will be split into two narrow lines because of the coffee ring effect. It's known that the section width of the coffee ring is 1 ~2 order of magnitude lower than the diameter of the droplet, thus, micrometer(<10 micrometer) and sub micrometer(100 nanometer ~ 1 micrometer) electric circuits could be fabricated by this approach. Moreover,through surface energy patterning of the substrate, controllable fine lines and microstructures of various other micrometer and nanometer particles could be fabricated by this method.

喷印电子电路是解决目前蚀刻电路环境污染、耗能问题的优选技术方案，也是面向快速大面积制备超轻、超薄及柔性电子电路等先进电子产品的技术解决方案，但是目前的喷印精度受制于喷头及液滴物理尺寸的限制，多年来，其精度一直停留在打印液滴直径20~50微米范围，甚至不及蚀刻电路的精度。本课题基于咖啡环效应胶体中的颗粒在挥发去浸润的过程中快速移向气-液-固三相接触线的原理， 通过协同调控纳米金属胶体性质和基底表面性能， 快速打印该纳米金属胶体形成的线路可以扩散分裂组装成两条平行的高精度电路，由于咖啡环效应形成的环截面宽度可以比液滴本身直径小1~2个数量级，因此，该方法可以用来制备微米（<10微米）及亚微米（100纳米~1微米）级高精度电路，此外，通过控制基底亲疏水图案化，该方法还可以用于各种微纳米颗粒胶体的高精度可控图案化组装。

绿色打印技术是一项全加法、非接触、无模板的材料图形化沉积技术，具有绿色环保、工艺简捷、数字化设计、印刷介质兼容性强等优点，开发绿色印刷制备电路技术已成为电子行业研发热点。但是目前的喷印精度受制于喷头及液滴物理尺寸的限制，基于喷印导电墨水制备得电路精度约为50微米，部分实验室用打印机可以实现20微米精度，但是目前无法做到亚微米级（1-10微米）精度。.本课题通过深入分析数字喷墨印刷过程中常见的“咖啡环”现象，研究了纳米银分散液形成“咖啡环”的过程。由于液滴边缘蒸发速率远大于中心蒸发速率，从液滴中心到边缘便形成径向流动来补充液滴边缘溶剂的减少，在径向流动过程中，通过不同表面张力的基底发现，在蒸发过程中，如果三相接触线发生移动，承印基底上部分纳米银粒子将滞留在液滴的内部，不能够彻底迁移到液滴的边缘，造成咖啡环中部纳米银的残留；在没有三相接触线移动时，纳米银分散液可以形成完整的“咖啡环”，而且“环”的截面宽度可以比液滴本身直径小1~2个数量级；进一步发现在喷墨打印纳米银分散液形成的线路也可以扩散分裂组装成两条平行的高精度电路。因此，基于该现象和原理，借助喷墨打印技术，分析了承印基底润湿性、溶剂组成、温度及浓度对形成高精度电路的影响，最终通过协同调控纳米银分散液和基底表面性能，实现了约5微米线宽高精度电路的可控制备；并基于金属网格原则制备了透明导电膜，其透明度高达91.2%，利用喷墨打印技术和咖啡环效应实现金属纳米粒子高精度图案化沉积的方法，由于方法简单，操作简便和具有成本较低的优势，在电子器件领域有着巨大的潜在应用价值，也对理解喷墨打印过程中液滴在基底上的铺展、浸润及纳米粒子的有序组装有重要意义。