Комната - Группа тегов EAS в Чанчуне

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3223 (2022) Цитировать эту статью

11 тысяч доступов

44 цитаты

18 Альтметрика

Подробности о метриках

Печатная гибкая электроника, поддерживаемая беспроводными технологиями, имеет решающее значение для Интернета вещей (IoT), взаимодействия человека и машины, носимых устройств и биомедицинских приложений. Однако остаются проблемы с существующими подходами к печати, такие как низкая точность печати, сложность конформной печати, сложные рецептуры чернил и процессы. Здесь мы представляем стратегию прямой печати при комнатной температуре для гибкой беспроводной электроники, при которой отдельные высокопроизводительные функциональные модули (например, антенны, микросуперконденсаторы и датчики) могут быть изготовлены с высоким разрешением и в дальнейшем интегрированы на различные плоские/изогнутые подложки. Водные чернила MXene без добавок карбида титана (Ti3C2Tx) регулируются благодаря большому соотношению однослойности (>90%) и узкому распределению размеров чешуек, обеспечивая металлическую проводимость (~ 6 900 См см-1) на дорожках сверхтонкой печати. (линейный зазор 3 мкм и пространственная однородность 0,43%) без отжига. В частности, мы создаем интегрированную систему, полностью напечатанную на MXene, способную осуществлять беспроводную связь, сбор энергии и интеллектуальное зондирование. Эта работа открывает двери для высокоточного аддитивного производства печатной беспроводной электроники при комнатной температуре.

Достижения в области печатной электроники постоянно стимулируют масштабируемое и устойчивое производство носимых и гибких устройств1,2,3. В отличие от традиционных субтрактивных процессов, прямая красочная печать предлагает жизнеспособную альтернативу для быстрого и крупномасштабного производства благодаря относительно простым и экономичным процедурам, а также желательной совместимости материалов и их использованию4,5. Тем не менее, что касается изготовления гибкой электроники при комнатной температуре, существующие подходы к печати еще далеки от идеала. Основное препятствие связано с составами чернил и процессами печати. Большинство печатных красок (металлических или углеродных) либо имеют сложный состав (требуют поверхностно-активных веществ/реологических модификаторов/связующих), имеют неудовлетворительные внутренние физические свойства (т. е. плохую электропроводность), либо требуют длительной последующей обработки (т. е. высокотемпературной обработки). отжиг для удаления добавок)6,7. Эти проблемы усложняют процесс производства устройства, исключают выбор дешевой полимерной подложки, а также ставят под угрозу точность печати устройства и, как следствие, его свойства. С другой стороны, растущая структурная сложность гибкой электроники (особенно различных беспроводных многофункциональных систем) предъявляет более высокие требования к технологиям прямой струйной печати, особенно к высокоточной конформной печати и многомодульному интегрированному производству, чтобы избежать трудоемкой и трудоемкой передачи и сборочные процессы8,9.

Одним из перспективных подходов является сочетание водных проводящих чернил без добавок с технологией экструзионной печати. По сравнению с другими методами печати, экструзионная печать обеспечивает высокопроизводительное аддитивное производство без дополнительных масок и аксессуаров, предлагая большие возможности в выборе материала/подложки и расширяемости печати (от копланарной до трехмерной)10,11. Тем не менее, несмотря на то, что водные проводящие чернила без добавок оказались многообещающими в упрощении рецептуры чернил и исключении последующей обработки, остается проблемой придание функциональным чернилам соответствующих реологических и электрических свойств для обеспечения производства гибкой беспроводной электроники при комнатной температуре12,13. В этом отношении, как новое семейство двумерных карбидов и нитридов переходных металлов, MXenes, которые обладают уникальными свойствами, желательными для функциональных чернил (т.е. металлической проводимостью, гидрофильностью и отрицательными поверхностными зарядами), открывают новые возможности14,15. В частности, Ti3C2Tx (Tx обозначает поверхностные окончания), как наиболее широко изученный MXene, позволяет контролируемо образовывать стабильные водные коллоидные дисперсии без каких-либо добавок16,17 и, таким образом, применяется в различных устройствах, таких как батареи, микросуперконденсаторы ( МСК), трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ), транзисторы, сенсоры и др.18,19,20,21. Однако когда дело доходит до изготовления гибкой беспроводной электроники, особых успехов добиться не удается при комнатной температуре и высокой точности печати линий компонентов со сверхвысокой электропроводностью на основе чернил MXene. Более того, до сих пор редко сообщалось о возможном протоколе многомодульной интегрированной печати для полностью печатаемых беспроводных устройств.

90%), and narrow flake size distribution, the as-formulated inks showcase desirable shear-thinning viscoelastic properties (viscosity of ~2.5 × 102 Pa·s) allowing continuous extrusion and quick solidification (Fig. 1d, e)23. Supplementary Figure 3 provides more details regarding the ink rheological characteristics. Notably, these aqueous inks are stable without sedimentation when stored in Ar-sealed bottles in the dark and low temperature (<4 °C) for at least two years, ensuring a sufficient time window for potential ink printing. After removing dissolved oxygen, these aqueous inks are also stable for long periods of time under ambient conditions (Supplementary Fig. 4). Besides, the ink wettability on the substrates are enhanced through plasma treatments to form continuous films and improve the substrate adhesion (See more details in Supplementary Figs. 5–7)24,25./p>

, bottom) in e. g Raman spectrum of MXene films on different substrates. h SEM image of the MXene film. Scale bar, 25 µm. i Sheet resistance (in red) and thickness (in blue) of MXene films as a function number of printing pass, . Inset: the surface profile of MXene films ( = 6). Scale bar, 1 mm. j The electrical conductivity changes of MXene films as a function of . The red and blue dots represent that the MXene films were dried under ambient conditions and low humidity, respectively. k The comparison of ink conductivity (σ) and concentration (c) of the MXene ink with other reported printable ink systems./p> results in thicker films with lower sheet resistance. Notably, the printed thickness scales linearly with , another indicative of high-resolution prints with sharp printing edges (Supplementary Fig. 17); otherwise, the thickness deviates from the fitted line because of the dome formation. Based on the sheet resistance and thickness, the electrical conductivity of all-printed lines was obtained, showing a value up to 6260 S cm−1 when = 2 right after printing (Fig. 2j), which can be further improved to 6900 S cm−1 by simply storing in low-humidity condition (~10% RH) for 4 h. We note the direct printing of MXene inks at room temperature to achieve metallic conductivity possesses apparent advantages over the printing of liquid metals or other metal-based inks (such as Zn, Ag nanoparticles, Supplementary Table 2), as the latter require either UV curing or annealing, which is not plausible for printed electronics mounted on temperature-sensitive, low-cost substrates./p> = 2), exceeding that of all other reported printable inks27. The preferable rheological, electrical, and mechanical properties of MXene inks suggest the great plausibility of room-temperature printing of high-performance flexible wireless electronics, as discussed below./p>30 versatile members and is still quickly expanding, more advanced MXene-based wireless electronics may be enabled by either choosing novel MXene inks and/or the booming printing/wireless technologies40,41 or varying the energy storage devices (such as flexible batteries, solar cells, TENGs, etc.)42/sensing modules (such as flexible chemical, physical, and biological sensors)43,44 etc./p>