Жидкий металл революционизирует печать прозрачных электронных схем

Важность оксидов металлов в электронике

Оксиды металлов – важный материал, который используется практически в каждом электронном устройстве. Большинство оксидов металлов обладают электроизоляционными свойствами (например, стекло). Но некоторые из них являются проводящими и прозрачными, и эти оксиды критически важны для сенсорного экрана вашего смартфона или монитора вашего компьютера.

Пленки из оксидов металлов довольно легко изготовить. В конце концов, они естественным образом образуются на поверхности практически всех металлических предметов в наших домах – банок из-под газировки, кастрюль из нержавеющей стали и вилок. Хотя эти оксиды присутствуют повсюду, применять их нельзя, поскольку их невозможно удалить с металлов, на которых они образуются. В ходе этой работы исследователи разработали новый способ отделения оксида металла от мениска из жидкого металла. Если вы наполняете трубку жидкостью, то мениск – это изогнутая поверхность жидкости, которая выходит за пределы трубки. Он изогнут из-за поверхностного натяжения, которое препятствует полному вытеканию жидкости. В случае жидких металлов поверхность мениска покрыта тонким слоем оксида металла, который образуется там, где жидкий металл соприкасается с воздухом.

Как работает процесс печати жидким металлом

«Мы заполняем пространство между двумя предметными стеклами жидким металлом таким образом, что небольшой мениск выходит за пределы предметных стекол», – говорит Дикки. «Представьте, что предметные стекла – это принтер, а жидкий металл – это чернила. Мениск из жидкого металла может соприкасаться с поверхностью. Мениск со всех сторон покрыт оксидом, аналогично тонкой резине, которой покрыт баллон с водой.  Когда мы перемещаем мениск по поверхности, оксид металла на передней и задней сторонах мениска прилипает к поверхности и отслаивается, подобно следу, оставляемому улиткой.  При этом жидкость, попадающая на мениск, постоянно образует свежий оксид, что обеспечивает непрерывную печать». В результате принтер наносит двухслойную тонкую пленку оксида металла толщиной около 4 нм.

«Важно отметить, что несмотря на использование жидкости, пленка оксида металла, нанесенная на подложку, остается прочной и невероятно тонкой», – говорит Дикки. «Пленка прилипает к подложке – ее невозможно размазать. Это важно для печатных схем».

Исследователи продемонстрировали эту технологию на нескольких жидких металлах и металлических сплавах, причем в зависимости от металла изменяется состав пленки оксида металла. Исследователи также смогли создать стопку многослойных тонких пленок, выполнив несколько проходов с помощью принтера.

Удивительные свойства прозрачных пленок

«Одной из удивительных особенностей, которую мы обнаружили, было то, что напечатанные пленки прозрачны, но обладают металлическими свойствами», – говорит Дикки. «Они обладают высокой электропроводностью».

«Поскольку пленки имеют металлический характер, золото связывается с нанесенным на них оксидом, что необычно – золото обычно не прилипает к оксидам», – говорит Унйонг Джонг, соавтор статьи о работе и профессор материаловедения и инженерии в Университете науки и технологии Пхохан (POSTECH). «Когда вы добавляете небольшое количество золота в эти тонкие пленки, золото, по сути, встраивается в пленку. Это помогает предотвратить ухудшение проводящих свойств оксида с течением времени».

«Мы считаем, что эти пленки обладают такой высокой проводимостью, потому что в центре двухслойной тонкой пленки содержится очень мало кислорода, в ней больше металла и меньше оксида», – говорит Джонг. «Без присутствия золота к центру многослойной тонкой пленки со временем поступает больше кислорода, что приводит к тому, что пленка становится электроизоляционной. Добавление же золота помогает предотвратить окисление центральной части пленки. Тот факт, что это работает так хорошо, удивляет, потому что мы используем очень мало золота – тонкая оксидная пленка по-прежнему очень прозрачна».

Кроме того, исследователи обнаружили, что тонкие пленки сохраняют свои проводящие свойства при высоких температурах. Если толщина тонкой пленки составляет 4 нанометра, она сохраняет свои проводящие свойства почти до 600 градусов Цельсия. Если толщина тонкой пленки составляет 12 нанометров, она сохраняет свои проводящие свойства как минимум при температуре 800 градусов Цельсия.

Возможные области применения

Исследователи продемонстрировали полезность своей технологии, напечатав проводники из оксидов металлов на полимере, создав очень гибкие схемы, которые были достаточно прочными, чтобы сохранить свою целостность даже после 40 000 сгибаний.

«Пленки также можно наносить на другие поверхности, такие как листья, для создания электроники в нетрадиционных местах», – говорит Дикки. «Мы сохраняем интеллектуальную собственность на эту технологию и открыты для сотрудничества с отраслевыми партнерами для изучения потенциальных областей применения».