Encres graphène pour l'électronique imprimée, Sigma-Aldrich
introduction
Le nouveau domaine de l'électronique imprimée nécessite une série de matériaux fonctionnels pour des applications telles flexibles et de grande surface affiche, une étiquette d'identification de fréquence radio, 2 récupération d'énergie portable et le stockage, le 3,4 réseaux capteurs biomédicaux et de l'environnement, de 5,6 et de circuits logiques . 7 Pour activer ces technologies, les matériaux fonctionnels doivent être intégrées avec les technologies de mise en forme appropriés, tels que jet d'encre, l'héliogravure et l'impression flexographique. 8,9 Parce que les conducteurs électriques sont un élément essentiel des dispositifs électroniques, des efforts importants ont été consacrés à des matières conductrices dans le domaine des encres imprimables. 10 encres conductrices communes peuvent être classés en trois catégories: les métaux nobles, les polymères conducteurs, et les nanomatériaux de carbone. 11 Cette synthèse se concentre sur un sous-ensemble d'encres conductrices de nanomatériaux de carbone à base de graphène traité solution.
Encres Conductive
Les différentes catégories d'encres conductrices offrent des propriétés uniques adaptées à des applications particulières. Parmi les métaux nobles, de l'argent est la plus répandue conductrice en raison de sa conductivité élevée et de résistance à l'oxydation, et peut être imprimé à l'encre sur la base soit des nanoparticules d'argent (Aldrich Prod. Nos. 736465. 736473. 736481. 736503. 736511 et) ou les précurseurs d'argent (Aldrich Prod. No. 745707). 12,13 Ces encres offrent la conductivité la plus élevée parmi les documents imprimés, mais sont basées sur des précurseurs coûteux. Les encres de cuivre ont également été mis en place, mais exigent généralement des conceptions de nanoparticules cœur-coquille ou recuits photoniques spécialisés pour produire des motifs conducteurs. 11 Les polymères conducteurs, tels que PEDOT: (.. Prod Aldrich n ° 739316. 768650. 768642) PSS, ont également été développés pour des applications électroniques imprimés. Ces matériaux offrent une conductivité modeste à faible coût, mais sont limitées en termes de stabilité chimique et thermique. nanomatériaux de carbone, y compris les nanotubes de carbone (Prod Aldrich. N °. 791490. 791504 et 792462) et le graphène, offrent une alternative à faible coût avec une excellente stabilité de l'environnement et de la conductivité souhaitable, ainsi que des propriétés uniques adaptées à une gamme d'applications. 11
nanomatériaux de carbone offrent un certain nombre de possibilités pour l'électronique imprimée et flexible. Les propriétés électriques résultant de la structure à liaison sp 2 de fullerènes, des nanotubes de carbone et le graphène sont particulièrement prometteurs, et ont été exploitées dans un certain nombre d'applications de transistors à couches minces (TFT) et des capteurs électrochimiques à supercondensateurs et photovoltaïque. 14,15 graphène est à deux dimensions sp 2 allotrope à liaison de carbone équivalent à une seule couche de graphite, représenté sur la figure 1a. Avec la mobilité des porteurs de charge élevée, la stabilité thermique et chimique superlative et la flexibilité intrinsèque, le graphène a été démontré pour un certain nombre d'applications dans l'électronique imprimée, y compris des capteurs chimiques et thermiques, 16,17 micro-supercapacités, 18 et des transistors à couche mince. 19,20 Un défi majeur pour l'intégration de nanomatériaux de carbone, avec des technologies d'impression traditionnelles est la production d'encres appropriées pour divers procédés de dépôt. Ici, nous présentons les progrès récents dans la mise au point d'encres de graphène en utilisant un stabilisant polymère pour permettre stables, des encres à forte concentration de graphène vierge à viscosité ajustable et la composition du solvant.
Production de graphène
Un certain nombre de stratégies ont été mis en évidence pour produire graphène y compris les techniques de bas en haut comme le dépôt chimique en phase vapeur et une croissance épitaxiale ainsi que des procédés de haut en bas, tels que l'exfoliation micromécanique et exfoliation en phase de solution. 21 Parmi ces approches, la dernière méthode offre l'option la plus rentable et évolutive pour les grands volumes de production de graphène. Les méthodes les plus courantes pour emploi d'exfoliation du graphite agents d'oxydation pour produire de l'oxyde de graphène; Cependant, ces stratégies conduisent à une dégradation des propriétés électroniques. 22 D'autre part, le graphène vierge peut être exfoliée mélange directement par ultrasonication ou cisaillement de graphite dans des solvants organiques, 23,24 mais les solvants les plus appropriés tels que la N-méthylpyrrolidone (NMP) et le diméthylformamide (DMF), sont chers , chimiquement dures et difficiles à enlever.
Une autre technique mis en évidence ici utilise la cellulose d'éthyle polymère (CE) dans les solvants peu coûteux et bénignes, tels que l'éthanol. 25 Cette méthode permet une production évolutive et efficace de graphène qui est bien adapté pour les techniques de formation de motifs en phase solution. Le stabilisant polymère permet stables, des dispersions de graphène à concentration élevée dans une gamme de solvants, y compris l'éthanol, le terpinéol, et la cyclohexanone. Par conséquent, cette chimie offre une approche générale au développement d'encre avec des caractéristiques d'encre largement accordables telles que le chargement des solides, la viscosité, la tension superficielle et la cinétique d'évaporation pour répondre aux besoins spécifiques des différentes technologies d'impression. 26 Les flocons de graphène produits par ce procédé sont caractérisés par une épaisseur typique de 1 à 3 nm et la dimension latérale de 50 à 100 nm. 27 Une image de microscopie à force atomique (AFM) représentant des flocons de graphène et les distributions de taille de particule correspondant sont présentés sur la figure 1b-d. Fort de ce matériel, les encres peuvent être développés pour différents procédés d'impression, comme on le verra plus loin.
Figure 1. Solution graphène traitée pour l'électronique imprimée. (A) Structure schématique de graphène, mettant en évidence plusieurs propriétés pertinentes pour l'électronique imprimée. (B) image AFM de flocons de graphène traitées solutions. (C) Distribution des épaisseurs de paillettes, montrant une épaisseur de flocon typique de 1-3 nm. (D) Distribution des zones de paillettes, montrant une zone de flocons typique de 400 à 40000 nm 2.
Jet d'encre imprimable graphène encre (793663)
Tableau 1. Impression jet d'encre de graphène vierge
Gravure imprimable graphène encre (796115)
L'héliogravure est idéalement adapté à haut débit, patterning roll-to-roll pour la production à grande échelle de l'électronique imprimée. 29 Les encres pour impression en creux nécessitent une viscosité charge élevée en matières solides et bien contrôlée et la tension superficielle. encres graphène ont été mis au point pour l'impression hélio sur la base CE et terpinéol. 30 Avec une charge de matières solides de 10% en poids. et une viscosité de 0,75 à 3 Pa · s, cette encre a été imprimée à l'aide d'un système d'impression par gravure directe pour produire des motifs avec une résolution d'environ 30 pm, comme le montre la figure 3. Les modes de graphène produits par ce procédé présentent une morphologie de film et une conductivité qui est similaire à motifs imprimés jet d'encre. Les propriétés rhéologiques des encres de graphène développés pour jet d'encre et l'impression en creux sont répertoriés dans le tableau 2.
Tableau 2. encres de graphène pour l'impression à jet d'encre et héliogravure
Graphène Film Caractéristiques
En plus d'une conductivité électrique élevée, les films de graphène imprimés présentent une tolérance robuste aux contraintes de flexion. Comme représenté sur la figure 5. Les lignes de graphène imprimées sur Kapton ™ présentaient aucun changement mesurable de la résistance tout en contrainte (contrainte de traction) à un rayon de 4 mm. 27 En outre, les lignes conservent également leurs propriétés électriques lorsqu'il est soumis à 1000 cycles de flexion avec un rayon de courbure de <1 mm. Finally, graphene lines exhibited only a small increase in resistance when folded.
Applications de graphène Imprimé
Tableau 3. Applications de graphène imprimés
Nous avons montré que les encres de concentration élevée, stables graphène peuvent être développés en utilisant un système de polymère stabilisant. Ce système permet de matériau large réglage de la rhéologie et d'autres propriétés de fluide, pour réaliser des encres pour jet d'encre et l'impression par gravure. En outre, l'agrégation des flocons est atténué pour produire des films de graphène denses et hautement conducteurs suivant un recuit thermique. La capacité de films de graphène de motif en utilisant des techniques d'impression à base de solution permet un certain nombre d'applications de revêtements de surface conductrices et stables aux électrodes pour des capteurs électrochimiques, des transistors à couches minces, et d'autres dispositifs imprimés.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par le Bureau du Programme MURI Naval Research (N00014-11-1-0690). EBS a également été soutenu par le ministère de la Défense (DoD) par la Défense nationale des sciences et du génie diplômé (NDSEG) Programme de bourses.