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Des chercheurs découvrent des résidus de stabilisant dans les encres derrière la perte de conductivité dans l’électronique imprimée en 3D

Rédigé par Dvd3d

Des chercheurs de l’Université de Nottingham et du National Physical Laboratory (NPL) ont mené une nouvelle étude qui conclut que de minces couches de résidus de stabilisant organique dans les encres à nanoparticules métalliques (MNP) sont à l’origine d’une perte de conductivité dans les matériaux imprimés en 3D et l’électronique.

Alors que la conductivité verticale réduite grâce à l’électronique imprimée en 3D a été attribuée à des problèmes de forme et de continuité physique entre les nanoparticules dans le passé, les chercheurs ont utilisé des nanoparticules d’argent pour montrer, apparemment pour la première fois, que la conductivité réduite est en fait causée par des résidus chimiques organiques dans le encres utilisées.

«La conductivité des nanoparticules métalliques imprimées par jet d’encre est connue pour être dépendante de la température de traitement et a déjà été attribuée à des changements dans la forme et la porosité des nanoparticules groupées, le rôle des résidus organiques n’étant que spéculé», a déclaré le Dr Gustavo Trindade, responsable Auteur de l’étude et chercheur au Centre de fabrication additive (CfAM).

«Cette nouvelle perspective permet le développement de voies pour surmonter l’anisotropie fonctionnelle dans les nanoparticules à jet d’encre, et améliorera donc l’adoption de cette technologie potentiellement transformationnelle, la rendant compétitive par rapport à la fabrication conventionnelle.»

De fines couches de résidus de stabilisant organique dans les encres MNP sont à l'origine d'une perte de conductivité dans les matériaux électroniques imprimés en 3D.  Image via l'Université de Nottingham.
De fines couches de résidus de stabilisant organique dans les encres MNP sont à l’origine d’une perte de conductivité dans les matériaux électroniques imprimés en 3D. Image via l’Université de Nottingham.

Impression jet d’encre pour l’électronique

Les encres contenant des MNP font partie des matériaux conducteurs les plus couramment utilisés pour l’électronique imprimée en 3D. En règle générale, l’impression 3D à jet d’encre est utilisée pour former des objets solides grâce à un processus en deux étapes impliquant l’évaporation du solvant lors de l’impression et la consolidation à basse température de nanoparticules par frittage.

L’impression à basse température est cruciale pour le succès du processus, car dans de nombreuses applications, les nanoparticules sont imprimées avec d’autres matériaux organiques fonctionnels et structurels qui sont sensibles à des températures plus élevées.

Le processus d’impression 3D à jet d’encre permet une excellente flexibilité de conception, un traitement rapide et l’impression de dispositifs électroniques fonctionnels tels que des capteurs, des écrans LED, des transistors et des panneaux solaires. Cependant, les couches imprimées de MNP ont différents niveaux de conductivité électrique entre leurs directions horizontale et verticale, un effet connu sous le nom d’anisotropie fonctionnelle, qui a précédemment entravé l’utilisation de l’électronique imprimée en 3D pour les applications avancées.

L’année dernière, les chercheurs du CfAM ont signalé une percée dans l’impression 3D à jet d’encre d’appareils électroniques avec du graphène, qu’ils considéraient comme une étape prometteuse vers le remplacement du graphène monocouche comme matériau de contact pour les semi-conducteurs métalliques 2D.

Ailleurs, le Danish Technological Institute (DTI) a étudié l’impression 3D à jet d’encre d’appareils électroniques à l’aide de ses propres encres conductrices nano-cuivre et nano-argent.

Présence de stabilisant résiduel dans un motif argenté conducteur encapsulé imprimé par jet d'encre multi-matériaux en 3D.  Photo via Trindade et al.
Présence de stabilisant résiduel dans un motif argenté conducteur encapsulé imprimé par jet d’encre multi-matériaux en 3D. Photo via Trindade et al.

Nouvelles perspectives sur la conductivité

L’étude de l’Université de Nottingham et du NPL a été menée par le CfAM dans le cadre d’une subvention de programme de 5,85 millions de livres sterling financée par l’EPSRC, Enabling Next Generation Additive Manufacturing.

Généralement, des résidus chimiques organiques sont ajoutés aux encres MNP imprimables en 3D afin de stabiliser les nanomatériaux, ce qui conduit à la formation de couches nanométriques très fines et à faible conductivité qui peuvent interférer avec la conductivité électrique d’un objet imprimé en 3D dans la direction verticale.

Les chercheurs ont démontré qu’une mauvaise conductivité électrique inter et intra-couche dans les structures d’argent produites par impression à jet d’encre 3D résulte d’une évolution combinée de la chimie et de la morphologie de l’interface au cours de l’étape de frittage à basse température du processus d’impression. Le polymère résiduel a conduit à une réduction de conductivité anisotrope lorsqu’il s’est accumulé à l’interface des couches imprimées empilées verticalement.

analyse chimique de 4 couches empilées de nanoparticules d'argent imprimées en 3D par jet d'encre.  Image via Trindade et al.
Analyse chimique de quatre couches empilées de nanoparticules d’argent imprimées en 3D par jet d’encre. Image via Trindade et al.

Pour observer de près la conductivité des structures imprimées, les chercheurs ont utilisé un instrument 3D orbiSIMS de pointe qui permet une imagerie chimique 3D sans étiquette de matériaux à très haute résolution. À l’aide de l’orbiSIMS, les chercheurs ont pu identifier et comprendre la distribution des additifs organiques résiduels dans les couches imprimées et leurs effets.

À l’avenir, l’équipe espère utiliser ces informations et les appliquer au développement de nouvelles techniques et formulations d’encre pour surmonter l’anisotropie fonctionnelle de l’électronique imprimée en 3D à jet d’encre. Une stratégie possible qu’ils suggèrent dans l’étude est de convertir les étapes de post-traitement en étapes de traitement in situ, ou l’utilisation de méthodes de post-traitement supplémentaires pour l’étape de frittage du processus d’impression à jet d’encre.

«Notre approche est transférable à d’autres encres à base de nanomatériaux, y compris celles contenant du graphène et des nanocristaux fonctionnalisés, et permettra le développement et l’exploitation d’électronique imprimée en 2D et 3D comme des capteurs flexibles et portables, des panneaux solaires, des écrans LED, des transistors et des textiles intelligents. », A déclaré Trindade.

Plus d’informations sur l’étude peuvent être trouvées dans l’article intitulé «Le stabilisateur de polymère résiduel provoque une conductivité anisotrope dans l’électronique imprimée en 2D et 3D de nanoparticules métalliques», publié dans la revue Nature, Communications Materials. L’étude est co-écrite par G. Trindade, F. Wang, J. Im, Y. He, A. Balogh, D. Scurr, I. Gilmore, M. Tiddia, E. Saleh, D. Pervan, L. Turyanska , C. Tuck, R. Wildman, R. Hague et C. Roberts.

Impression jet d'encre de nanoparticules d'argent et détection de stabilisant polymère.  Image via Trindade et al.
Impression jet d’encre de nanoparticules d’argent et détection de stabilisant polymère. Image via Trindade et al.

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