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《npj Flexible Electronics》:用于印刷瞬態(tài)傳感器和無(wú)線(xiàn)電子的鋅混合燒結(jié)(IF=14.676)

發(fā)布日期:2024-06-01瀏覽次數(shù):256

背景:

  瞬態(tài)電子為減少電子廢物和用于植入生物電子學(xué)提供了一個(gè)有前途的解決方案,但它們的制造仍然具有挑戰(zhàn)性。我們報(bào)告了一種可擴(kuò)展的方法,協(xié)同結(jié)合化學(xué)和光子機(jī)制來(lái)燒結(jié)印刷的鋅微粒。在使用酸性溶液還原氧化物層后,使用閃光燈退火處理將鋅顆粒凝聚成一個(gè)連續(xù)的層。所得到的燒結(jié)鋅圖樣的電導(dǎo)率值高達(dá)5.62×106Sm?1。印刷鋅痕跡的電導(dǎo)率和耐久性使生物可降解傳感器和LC電路的制造成為可能:溫度、應(yīng)變和無(wú)芯片無(wú)線(xiàn)力傳感器,以及用于遠(yuǎn)程供電的射頻感應(yīng)線(xiàn)圈。該工藝可以減少傳遞到基板的光子能量,并與溫度敏感的聚合物和纖維素基底兼容,為生物可降解電子產(chǎn)品和瞬態(tài)植入物的增材制造提供了新的途徑。


文獻(xiàn)介紹:

  瞬態(tài)電子設(shè)備,即在給定環(huán)境中完全降解而不產(chǎn)生有害副產(chǎn)品的電子組件和設(shè)備,在減少電子廢物方面顯示出潛力,并使新型生物可吸收植入物成為可能,消除了再手術(shù)的需要。人們提出了不同的材料,如可溶金屬、可降解半導(dǎo)體、基底和電介質(zhì)。這些發(fā)展導(dǎo)致了各種設(shè)備的演示,包括電池、加熱器、晶體管、能量收集器,以及壓力、應(yīng)變和溫度傳感器。這些功能性生物可降解組件和器件大多依賴(lài)于來(lái)自半導(dǎo)體工業(yè)的微加工技術(shù),以及使用掩膜技術(shù)或轉(zhuǎn)移打印,以避免將功能層直接繪制在溫度和溶劑敏感的可生物降解基質(zhì)上的困難。作為一種替代方法,增材制造技術(shù)在制造柔性瞬態(tài)電子器件方面顯示出了前景,特別是在需要大面積、成本效益和低廢物制造的領(lǐng)域。數(shù)字增材制造還具有允許在3D曲線(xiàn)曲面上自由打印和多傳感范式的無(wú)縫集成的優(yōu)勢(shì)。這擴(kuò)展了可定制的、可變形的或高度適形的傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可能性,這可以是自供電或遠(yuǎn)程供電的。這些制造方法有潛力為功能性可降解電子器件的制造開(kāi)辟新的可能性,但需要聯(lián)合優(yōu)化可打印的油墨的配方、沉積工藝和后處理方法。在將瞬態(tài)金屬微顆?;蚣{米顆粒油墨沉積后,電導(dǎo)率通常很低或不存在,并且需要一個(gè)燒結(jié)步驟,即將材料致密化而不熔化到液化點(diǎn)。由于這些材料的反應(yīng)性,以及它們?nèi)菀自诳諝庵凶匀恍纬裳趸瘜?,這一點(diǎn)尤其具有挑戰(zhàn)性。目前提出的方法很少,可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)印刷可降解的可生物降解導(dǎo)電層。這些方法側(cè)重于鋅,因?yàn)樗娜埸c(diǎn)很低,而且它的微顆粒和納米顆粒形式的價(jià)格適中。目前應(yīng)用于燒結(jié)鋅顆粒的方法可分為光子和電化學(xué)兩類(lèi)。光子方法是基于使用高功率激光器或燈來(lái)選擇性地加熱金屬層,同時(shí)最小化與襯底的相互作用。它們通常受到鋅顆粒的高熔點(diǎn)(Tm=1950°C)天然氧化層的限制,該氧化層通過(guò)將金屬鋅保持在固體殼中而阻止了有效的顆粒團(tuán)聚。即使施加高于10Jcm?2的燒結(jié)脈沖強(qiáng)度,所達(dá)到的電導(dǎo)率仍然有限。鋅的電化學(xué)燒結(jié)是一種室溫方法,利用乙酸或類(lèi)似物之間的相互作用,將天然氧化層轉(zhuǎn)化為鋅離子。金屬離子在粒子之間重新沉積,從而形成導(dǎo)電路徑。電化學(xué)燒結(jié)通常產(chǎn)生較低的電導(dǎo)率值(在1-3×105Sm?1左右),這是由于顆粒之間的橋接和層中存在殘留的粘結(jié)劑。最后,當(dāng)用瞬態(tài)金屬制造復(fù)雜的柔性器件時(shí),一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)是,它們的反應(yīng)性阻礙了使用多個(gè)后處理步驟,這可能會(huì)損壞金屬跡線(xiàn)。因此,需要開(kāi)發(fā)可靠的添加劑制造生態(tài)或生物可吸收金屬痕跡的工藝,與后處理步驟兼容,產(chǎn)生具有足夠運(yùn)行時(shí)間的穩(wěn)定器件。

  在這項(xiàng)工作中,我們提出了一種可擴(kuò)展和增材制造高導(dǎo)電瞬態(tài)金屬鋅跡線(xiàn)的混合方法。通過(guò)印刷沉積后,鋅微粒通過(guò)乙酸溶液還原天然氧化物殼。該還原劑通過(guò)優(yōu)化的噴涂工藝來(lái)提供,其目的是減輕先前提出的分配方法的缺點(diǎn)。閃光燈退火(也稱(chēng)為光子燒結(jié))用于進(jìn)一步燒結(jié)金屬圖案。這種方法可以使印刷瞬態(tài)金屬達(dá)到無(wú)與倫比的電導(dǎo)率,高達(dá)5.62×106Sm?1,僅比散裝鋅(16.6×106Sm?1)的電導(dǎo)率低約三倍。作為一個(gè)額外的好處,傳遞到樣品的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以前關(guān)于鋅光子燒結(jié)的研究。這允許增加與較低的熱預(yù)算基底的兼容性。證明了打印跡線(xiàn)的機(jī)械靈活性以及它們?cè)谂c其操作相關(guān)的環(huán)境中的穩(wěn)定性。由于瞬態(tài)金屬跡線(xiàn)的堅(jiān)固性,制造需要進(jìn)一步固化或沉積步驟的多層設(shè)備成為可能。本文報(bào)道了一套印刷的物理傳感器,包括電阻應(yīng)變和溫度傳感器,以及一個(gè)無(wú)線(xiàn)電容力和壓力傳感器。在本工作中提出的過(guò)程有利地利用化學(xué)和物理機(jī)制來(lái)獲得高導(dǎo)電性(與熱固化銅或銀墨水相當(dāng))的瞬態(tài)金屬痕跡。這些進(jìn)展為添加劑制造的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)組件和生物可吸收電子植入物開(kāi)辟了新的途徑。

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引用

https://www.nature.com/articles/s41528-023-00249-0


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