Гибридная поверхностная акустическая волна

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15178 (2015) Цитировать эту статью

3526 Доступов

28 цитат

Подробности о метриках

Обычная технология электростатического осаждения на основе поверхностных акустических волн (SAW-ED) изо всех сил пытается конкурировать с другими технологиями изготовления тонких пленок из-за ее ограничений в распылении растворов с высокой плотностью или растворов с прочными связями между частицами, которые требуют очень высокой частоты (100 МГц) и власть. В этом исследовании гибридная система поверхностной акустической волны и электрогидродинамического распыления (SAW-EHDA) была введена для решения этой проблемы путем интеграции EHDA с SAW для достижения осаждения различных типов проводящих чернил при более низкой частоте (19,8 МГц) и мощности. Три материала: поли[2-метокси-5-(2-этилгексилокси)-1,4-фениленвинилен] (MEH-PPV), оксид цинка (ZnO) и поли(3,4-этилендиокситиофен):полистиролсульфонат (PEDOT:PSS). ) были успешно нанесены в виде тонких пленок с помощью гибридной SAW-EHDA. Пленки показали хорошие морфологические, химические, электрические и оптические характеристики. Для дальнейшей оценки характеристик нанесенных пленок был изготовлен датчик влажности с активным слоем PEDOT:PSS, нанесенным с использованием системы SAW-EHDA. Реакция датчика была превосходной и намного лучше по сравнению с аналогичными датчиками, изготовленными с использованием других производственных технологий. Результаты работы устройства и характеристики пленок позволяют предположить, что гибридная технология SAW-EHDA имеет высокий потенциал для эффективного производства широкого спектра тонких пленок и, таким образом, предсказывает ее многообещающее будущее в определенных областях печатной электроники.

Наука и технология тонких пленок играют важную роль в высокотехнологичных отраслях. Индустрия тонких пленок существует уже несколько десятилетий, и из-за ее огромной важности и уникальных возможностей области применения тонких пленок широко расширились. Наиболее заметными из них являются микроэлектронные устройства, оптические покрытия, биологические имплантаты, износостойкие покрытия, плоские дисплеи, фотоэлектрические элементы и датчики1,2,3,4,5. Большое разнообразие материалов, включая металлы, чистые элементы, органические материалы и соединения, такие как оксиды, нитриды и полимеры, можно наносить на различные типы подложек, таких как металлы, керамика и полимеры, с помощью тонкопленочных технологий6,7,8. Это связано с постоянно меняющимися потребностями и требованиями различных областей науки, в результате чего технологии тонких пленок постоянно развиваются и внедряются более сложные и передовые тенденции для удовлетворения потребностей растущей промышленности. Некоторые из наиболее широко используемых технологий создания тонких пленок — это центрифугирование, химическое осаждение из паровой фазы, атомно-слоевое осаждение, напыление, центрифугирование, электрогидродинамическое распыление, микроглубокая печать, атмосферное атомно-слоевое осаждение с рулона на рулон и трафаретная печать9,10. 11,12.

Одним из возможных кандидатов для изготовления тонких пленок и нанесения рисунков является технология распыления поверхностными акустическими волнами (ПАВ)13. Волны ПАВ представляют собой очень высокочастотные поверхностные волны Рэлея, распространяющиеся в пьезоэлектрической подложке и могут заряжать частицы капель посредством вибраций, что приводит к распылению и образованию капельного тумана типа сухого тумана14,15,16. Реализуя тонкое распыление проводящих чернил с помощью SAW, Ким и др. применил его при изготовлении белковых чипов путем включения SAW с электронным осаждением (SAW-ED), где заряженные атомизированные частицы проводящих белков перемещались противоположно силе тяжести с помощью сильного электрического поля17. Это привело к появлению нового метода, который можно было использовать для нанесения рисунков и пленок. Хотя эффективность сбора была улучшена за счет использования коллиматора заряда, осаждение не было непрерывным, поскольку капля неоднократно помещалась на встречно-штыревой преобразователь (IDT) после распыления. Кроме того, из-за большого активного объема капли размер распыленных частиц был немного меньше 10 мкм, что, хотя и не меньше минимально достижимого размера капли EHDA, позволяет избежать только проблем блокировки сопла. Проблема была решена, и частота ПАВ была увеличена до 95 МГц для получения субмикронных частиц18. В настоящее время проблемы с SAW-ED заключаются в том, что изготовление IDT, способного работать на такой высокой частоте, очень дорого, а также то, что распыление не является непрерывным, что влияет на время осаждения, эффективность и качество19,20. Белковые частицы диаметром 1–10 мкм были получены для аэрозолей и доставки лекарств с помощью высокочастотной ПАВ с теми же недостатками, что и упомянутые выше. Кроме того, в большинстве работ по распылителям SAW используются только белки с высокой проводимостью и низкой плотностью из-за легкости их распыления и осаждения. В 2011 году фильтровальная бумага и резервуар для шприца использовались для непрерывной подачи чернил, используя «эффект самонакачки» ПАВ для непрерывного распыления жидкостей21. К сожалению, этот метод полезен только для жидкостей с низкой молекулярной массой и, таким образом, сильно ограничивает выбор чернил для изготовления устройств. В том же году была предпринята попытка нанесения тонких пленок и рисунков проводящих чернил с использованием SAW-EHDA, обеспечивая непрерывный поток чернил через шприцевой насос, но характеристики пленки были очень плохими22. Таким образом, можно предположить, что нам нужен гибрид SAW-EHDA, поскольку EHDA также работает на электрическом распылении жидкости и может создавать очень однородные тонкие пленки. SAW-EHDA является сильным кандидатом для изготовления тонких пленок по сравнению с EHDA, поскольку распыление очень равномерное, а размер частиц, достигаемый с помощью распылителей SAW, очень мал (субмикроны) по сравнению с системами EHDA (несколько микрон). По мере того, как размер частиц становится меньше, минимальная достижимая толщина пленки также уменьшается, при этом пленка становится более однородной и непористой с лучшими электрическими и механическими свойствами.