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含有金属纳米粒子的墨水是印刷电子产品中最常用的导电材料之一。 MNP 材料的喷墨层可为传感器、太阳能电池板、LED 显示器、晶体管和智能纺织品等功能电子设备提供无与伦比的设计灵活性、快速处理和3D 打印。
数字印刷电子产品的设计灵活性以及更快的上市时间等优势正在推动各个领域的新研究。含有金属纳米颗粒、二氧化硅、半导体量子点、本征导电聚合物胶体和磁性纳米颗粒等胶体材料的喷墨可用于从量子光电器件到全印刷钙钛矿太阳能电池的各种应用。灵活且可穿戴的电子产品。但，
与使用传统制造方法制造的零件相比，打印零件的性能较差。这是由于缺乏全面了解的制造技术和材料选择挑战造成的。金属纳米粒子是印刷电子产品中最常用的导电材料之一，凝固通常需要两步过程。即，印刷过程中溶剂蒸发（钉扎），然后通过低温烧结（120-200C）进行聚合。导电迹线形成在基板上。在许多应用中，低温很重要，因为纳米颗粒与其他对高温敏感的功能/结构有机材料共同打印。
最近，基于喷墨的三维（3D）打印已被用于同时和选择性地共沉积不同的功能材料（例如介电和/或导电材料），并最终实现多功能。
尽管人们对基于金属纳米颗粒的材料在二维(2D) 和3D 打印电子产品中的使用抱有很大兴趣，但金属纳米颗粒层的层内特性很难确定它们是否是块状金属（面内）或夹层（垂直））并且是各向异性的。 ）导电性会限制器件性能，这种效应被称为功能各向异性，是功能电子器件3D 打印中长期存在的问题，限制了其在工业和产品中的使用。众所周知，印刷层的电导率取决于热处理过程，此前人们认为这是由于形态变化和可能的有机残留物造成的。然而，金属纳米粒子低温烧结导致电导率降低的详细机制仍不清楚。
到目前为止，人们认为印刷器件导致的垂直电导率降低主要是由于构成纳米颗粒（非常小的微米和纳米级）的界面的几何形状和物理连续性问题。然而，诺丁汉大学的研究人员使用银纳米粒子首次表明墨水中的有机化学残留物是罪魁祸首。这些残留物被添加到墨水中以帮助稳定纳米材料，从而形成非常薄的低电导率纳米级层，从而干扰打印样品的垂直电导率。
图1. 喷墨打印AgNP 和聚合物稳定剂的检测。
图示：
a. 通过原位溶剂蒸发（钉扎）按需喷射含有AgNP 的墨水。墨水的AgNP 尺寸分布的详细信息如补充图3 所示。 b. AgNP 印刷层的光学图像（底部）和化学图像（顶部），显示印刷层表面上的Ag2+（灰色）、C6H10NO+（红色）和Si+（蓝色）。合并的液滴。线图表示每个图中心的强度。
图2.喷墨3D打印打印的AgNPs的分层
在对打印层中残留有机添加剂的分布有了更清晰的了解后，研究人员定义了一种新技术并开发了新的墨水配方，以克服基于喷墨的3D 打印电子产品中的功能各向异性。
诺丁汉大学增材制造中心的研究员Gustavo Trindado 博士表示，众所周知，喷墨打印的金属纳米颗粒的电导率取决于加工温度，而此前已知簇状纳米颗粒的形状和孔隙率取决于加工温度。他说这被认为是由性别的变化引起的。据估计，这种影响仅针对有机残留物。这一新见解将有助于开发克服基于喷墨的纳米颗粒的功能各向异性的方法，从而促进这种潜在转换技术的广泛采用，并使其与传统制造技术的竞争力将会增强。我们的方法还可以应用于其他基于纳米材料的墨水，包括石墨烯和功能化纳米晶体，使柔性和可穿戴传感器、太阳能电池板、LED显示器、晶体管和智能纺织品等2D和3D打印电子产品的开发成为可能。
图3. 多材料喷墨3D 打印封装中导电银图案中存在的残留稳定剂。
图：a为装置分层结构示意图。 b. 照片显示了允许您在水下使用该设备的包装。 ToF-SIMS深度剖面在c上界面和e下界面处生成。介质材料为TPGDA，用C3H3O+表示。 PVP 由C6H10NO+ 截面组成。 d. 横截面的透射电子显微照片。
该研究由增材制造中心(CfAM) 开展，EPSRC 提供了585 万英镑的计划拨款，以加速下一代增材制造。他们的研究结果发表在2023 年5 月11 日的期刊上。
通讯材料
标题是“残留聚合物稳定剂在金属纳米粒子喷墨打印过程中诱导各向异性导电性”。
研究人员利用了诺丁汉大学最先进的3D orbiSIMS 仪器独特的化学灵敏度。诺丁汉orbiSIMS 是英国唯一一所此类大学，能够对材料进行高分辨率、无标记3D 化学成像，揭示了激发这项研究的见解。
本文来源：Gustavo F. Trindade 等人，《金属纳米颗粒喷墨打印过程中残留聚合物稳定剂导致各向异性导电性》，《通讯材料》(2023)
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