Нанотрубки перетворили на штампи для друку електронних схем

Інженери Массачусетського технологічного інституту (MIT) створили високоточний метод друку електронних схем на твердих і гнучких поверхнях. Для цього розробники використовують штампи з вуглецевих нанотрубок і електропровідні чорнила. Роздільна здатність методу досягає двох-трьох мікрон - в десятки разів краще аналогічних способів друку. Опис методики та отриманих результатів опубліковано в журналі.

За словами творців, новий метод дозволить друкувати мікроскопічні сенсори і транзистори для управління роботою пікселів на екранах високої роздільної здатності, а також забезпечить відносно дешевий і швидкий промисловий друк електронних поверхонь з інтерактивними функціями: наприклад, чашки з індикатором температури.

Новий метод, по суті, є флексографією, історія якої йде в древній Китай, де була винайдена рельєфна печатка: ієрогліфи вирізалися на дереві або камені, поглиблення у формі заповнювалися друкарською фарбою, і відбитки виходили при надовжуванні формою на папір. Потім у XIII столітті в Європі з'явилася печатка на основі металевих форм - це відкриття призвело до масової книгопечатки, а винахід гумової основи для друкованих форм в середині XIX століття дало основу сучасної високоякісної флексографії.

Досліди флексографічного та струменевого друку електронних схем проводилися і раніше, але, через складність контролю точності при мікропечаті, результати виявлялися недостатньо якісними. Зокрема, відбитки володіли розмитими кордонами і непропечатаними областями. Фахівці відзначають, що контроль розмірів і товщини лінії при друку особливо важливі при створенні транзисторів або тонких плівок зі спеціальними електричними або оптичними властивостями. При цьому деякі недавні роботи досягали хорошої точності, але мали обмеження щодо масштабування для застосування в промисловому друку: наприклад, проводилися досліди зі струменевим електродинамічним друком, мікроконтрастним друком, нанолітофією. Обмеження ж дозволу флексографічного друку становлять десятки мікрометрів.

Автори нової роботи запропонували поліпшити дозвіл флексографії в 10 разів за допомогою нового виду штампів. Вони являють собою вертикальний масив вуглецевих нанотрубок, вирощених на кремнієвій підкладці. Нанотрубки нагадують собою найтоншу напівю голку, товщиною всього кілька нанометрів (мільярдних часток метра). Висока міцність нанотрубок дозволяє багаторазово деформувати їх без втрати структури.

За своєю будовою і принципом роботи, штампи схожі на голки для татуювань, крім того, що вони не проколюють матеріал, на якому відбувається печатка. Чорнило - рідини з наночастинками срібла, оксиду цинку або напівпровідникових квантових точок - утримуються в штампі між нанотрубками за рахунок капілярних сил. Для того щоб чорнило легко проходили в штамп, і масив не втрачав форму, коли вони закінчуються, наноструктуру покривають шаром полімеру. Коли просочений чорнилом штамп притискають до поверхні, «голчастий» масив злегка деформується і частина чорнил переноситься на поверхню.

Ключовим фактором для високоточного друку є сила, з якою штамп притискається до поверхні. Якщо зусилля занадто слабке, то через нерівності фарба потрапить не на всю поверхню. Занадто сильне притиснення призведе до розтікання фарби і зменшить роздільну здатність друку. Інженери знайшли оптимальний тиск, необхідний для нанесення рівного 5-50 нанометрового шару чорнил залежно від параметрів нанотрубок, оброблюваної поверхні і складу чорнил. Для прискорення процесу вчені побудували друкарську машину з автоматизованим роликом, на якій і проходило тестування друку. Штамп у ній розташовувався на спеціальній пружині під роликом.

За допомогою пристрою інженери забезпечили безперервний друк зі швидкістю близько 20 сантиметрів на секунду. Аналогічні за дозволом методи приблизно в сто і більше разів повільніші.

Інженери протестували нанесені принти на електропровідність. Після високотемпáного випалу друковані зразки продемонстрували високу провідність і були готові для використання в якості, наприклад, високопродуктивних прозорих електродів.