Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) создали высокоточный метод печати электронных схем на твердых и гибких поверхностях. Для этого разработчики используют штампы из углеродных нанотрубок и электропроводящие чернила. Разрешение метода достигает двух-трех микрон — в десятки раз лучше аналогичных способов печати. Описание методики и полученных результатов опубликовано в журнале Science Advances.

По словам создателей, новый метод позволит печатать микроскопические сенсоры и транзисторы для управления работой пикселей на экранах высокого разрешения, а также обеспечит относительно дешевую и быструю промышленную печать электронных поверхностей с интерактивными функциями: например, чашки с индикатором температуры.

Новый метод, по сути, является флексографией, история которой уходит в древний Китай, где была изобретена рельефная печать: иероглифы вырезались на дереве или камне, углубления в форме заполнялись типографской краской, и отпечатки получались при надавливании формой на бумагу. Затем в XIII веке в Европе появилась печать на основе металлических форм — это открытие привело к массовой книгопечати,а изобретение резиновой основы для печатных форм в середине XIX века дало основу современной высококачественной флексографии.

Инженеры MIT создали новый метод печати электронными чернилами на жестких и гибких поверхностях. Credit: anha Kim and Dhanushkodi Mariappan / MIT

Опыты флексографической и струйной печати электронных схем проводились и раньше, но, из-за сложности контроля точности при микропечати, результаты оказывались недостаточно качественными. В частности, отпечатки обладали размытыми границами и непропечатанными областями. Специалисты отмечают,что контроль размеров и толщины линии при печати особенно важны при создании транзисторов или тонких пленок со специальными электрическими или оптическими свойствами. При этом некоторые недавние работы достигали хорошей точности, но имели ограничения по масштабированию для применения в промышленной печати: например, проводились опыты со струйной электродинамической печатью, микроконтрастной печатью, нанолитографией. Ограничения же разрешения флексографической печати составляют десятки микрометров. 

Углеродные нанотрубки – основа ультратонкой флексографической печати. Credit: Sanha Kim and Dhanushkodi Mariappan / MIT

Авторы новой работы предложили улучшить разрешение флексографии в 10 раз с помощью нового вида штампов. Они представляют собой вертикальный массив углеродных нанотрубок, выращенных на кремниевой подложке. Нанотрубки напоминает собой тончайшую полую иглу, толщиной всего несколько нанометров (миллиардных долей метра). Высокая прочность нанотрубок позволяет многократно деформировать ихбез потери структуры.

По своему строению и принципу работы, штампы похожи на иглы для татуировок,кроме того, что они не прокалывают материал, на котором происходит печать. Чернила— жидкости с наночастицами серебра, оксида цинка или полупроводниковых квантовых точек — удерживаются в штампе между нанотрубками за счет капиллярных сил. Для того чтобы чернила легко проходили в штамп,и массив не терял форму, когда они заканчиваются, наноструктуру покрывают слоем полимера. Когда пропитанный чернилами штамп прижимают к поверхности, «игольчатый» массив слегка деформируется и часть чернил переносится на поверхность.

Принцип нанесения чернил на подложку. Слева — результат нанесения при различных прижимающих усилиях. Справа — микрофотографии штампа и отпечатков. Sanha Kim et al. / Science Advances, 2016

Ключевым фактором для высокоточной печати является сила, с которой штамп придавливается к поверхности. Если усилие слишком слабое, то из-за неровностей краска попадет не на всю поверхность. Слишком сильное прижатие приведет к растеканию краски и уменьшит разрешение  печати. Инженеры нашли оптимальное давление,необходимое для нанесения ровного 5–50 нанометрового слоя чернил в зависимости от параметров нанотрубок, обрабатываемой поверхности и состава чернил. Для ускорения процесса ученые построили печатную машину с автоматизированным роликом, на которой и проходило тестирование печати. Штамп в ней располагался на специальной пружине под роликом.

Печатная машина использует печатную форму, покрытую нанопористым материалом, через который на печатаемую поверхность поступает жидкость с наночастицами – электронные чернила. Credit: Sanha Kim and Dhanushkodi Mariappan / MIT

С помощью устройства инженеры обеспечили непрерывную печать со скоростью около 20 сантиметров в секунду. Аналогичные по разрешению методы примерно в сто и более раз медленнее.

Сравнение с другими методами печати. По вертикально оси — скорость печати, по горизонтальной — разрешение. Sanha Kim et al. / Science Advances, 2016

Инженеры протестировали нанесенные принты на электропроводимость. После высокотемпературного обжига печатные образцы продемонстрировали высокую проводимость и были готовы для использования в качестве, например,высокопроизводительных прозрачных электродов.

Автор: Надежда Бессонова