Комната
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.