热分析电路模型电子油墨的干燥行为gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

印刷电子(PE)是一个术语,它定义了印刷电路不仅等柔性基板纸、纺织品、聚酰亚胺薄膜、笔和宠物还有大量的潜在的媒体gydF4y2BaNeuvo和Ylonen (2009)gydF4y2Ba。PE合并电子制造业和文本/图形打印。通过这种组合,一个可以制造高质量的电子产品薄,灵活、可穿戴,轻量级的,大小不一,ultra-cost-effective,环保gydF4y2Ba菅沼(2014)gydF4y2Ba。此外,近年来,印刷导电金属纳米油墨,如金银不仅显示它的多功能性的生产印刷电路,还其实用性发展的(生物)传感器和衣物gydF4y2BaZub et al。(2022)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba杨et al。(2022)gydF4y2Ba。一系列为喷墨印刷油墨性质不同是必要的。最常用的导电墨水是基于银gydF4y2Ba罗摩et al。(2015)gydF4y2Ba。这墨水由胶态悬浮体薄的纳米级银粒子稳定剂聚合物的外套。因为纳米颗粒(NPs)有一个非常高的比表面积,它们非常容易烧结在相当低的温度下(10% -20%的散装材料的熔点)gydF4y2BaBuffat和波雷尔(1976)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba高和顾(2015)gydF4y2Ba,这就是为什么金属油墨烧结温度低至100°gydF4y2BaCgydF4y2Ba-150°gydF4y2BaCgydF4y2Ba月亮et al。(2005)gydF4y2Ba银,温度远低于熔点(962°gydF4y2BaCgydF4y2Ba)gydF4y2BaSomiya和Moriyoshi (1990)gydF4y2Ba。墨水已经印在底物后,它应该是热治愈。热固化纳米颗粒之间建立电接触的必要步骤。首先,溶剂的蒸发形成一个连续的导电薄膜。提高溶剂蒸发启动所需的温度高于聚合物稳定剂消除,使稳定器离开颗粒间的区域,实现金属颗粒接触gydF4y2Ba格里尔和街道(2007)gydF4y2Ba。烧结过程是至关重要的导电的性能跟踪,不仅对电气性能,而且机械的gydF4y2BaSomiya和Moriyoshi (1990)gydF4y2Ba。一些作者已经开发出自己的油墨gydF4y2Ba罗德里格斯(2016)gydF4y2Ba;然而,这是一个反复试验的过程,一些油墨的物理参数可以估计制造之前。了解导电油墨的烧结过程是一个基本的步骤,开发传感器。内在属性(如热导率、电阻率、热系数等)的印刷设备不对应的散装材料的纳米颗粒。这主要是由于这一事实材料跟踪获得高孔隙度;在gydF4y2BaTrasatti和Petrii (1991)gydF4y2Bapercolative模型与油墨的电阻率与孔隙度。在生物传感器领域、孔隙度起着主要的作用,因为它定义了工作电极的几何区域之间的差异及其电化学表面积gydF4y2Ba赵et al。(2016)gydF4y2Ba。分析到目前为止在文献中报道的烧结油墨是基于他们的直流特性gydF4y2Ba格里尔和街道(2007)gydF4y2Ba。在这部作品中,纳米颗粒的形状和分布的研究了银墨水采用透射电子显微镜(TEM)。的图片印刷的痕迹已经通过扫描电子显微镜(SEM)在不同烧结时间,允许观察材料减少其孔隙度随时间变化;这些结构性变化支持通过电气测量跟踪阻抗的变化作为干燥时间的函数。作为一个案例研究中,印刷轨道的电阻热系数进行了分析并与热系数大部分银的价值。最后,这项工作提出了一种分析电路模型基于AC的墨水的干燥行为在不同的频率特性。球的纳米颗粒特性考虑初始时间仍然被限制代理直到导电跟踪。这个模型可以提供一个估计的特点,印刷设备,无论他们是用作生物传感器(多孔材料)或互联(密实材料)在印刷电子产品。gydF4y2Ba

2实验gydF4y2Ba

2.1墨水制备gydF4y2Ba

为了获得与流变特性兼容墨水喷墨印刷、银纳米粒子稳定粉(AgNPs),平均大小为100gydF4y2Ba纳米gydF4y2Ba,从NanoTop(中国),milli-Q水,乙醇,特里同gydF4y2Ba^太gydF4y2Ba从Sigma-Aldrich x - 100。首先,31.58gydF4y2BaggydF4y2Ba0.8(96%纯度的乙醇和密度gydF4y2BaggydF4y2Ba/gydF4y2Ba毫升gydF4y2Ba27.62)混合在一起gydF4y2BaggydF4y2Ba质量milli-Q烧杯中的水。0.8gydF4y2BaggydF4y2Ba的卫gydF4y2Ba^太gydF4y2Bax - 100添加到混合物中。的解决方案是激起了3000年gydF4y2BarpmgydF4y2Ba和T 25数字LR扩散器,从IKA,而银纳米颗粒在三个步骤按顺序合并,13.33gydF4y2BaggydF4y2Ba每5分钟,改善均化。搅拌是持续了1个小时,最后的解决方案是用Q55超声发生器Q-Sonicator标准探测器4422。墨水制备在室温下进行,除了声波降解法步骤在冰浴。齐次40 wt %银墨水。墨水是由铸造和测试一个爱普生tx - 135消费者打印机用于测试其印刷适性。gydF4y2Ba

2.2 TLM结构形成gydF4y2Ba

首先,400gydF4y2BaμlgydF4y2Ba墨水被沉积在25gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba×25gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba使用100 - 1000玻璃衬底gydF4y2BaμlgydF4y2BaDragonLab将微量吸液管。一旦存入,墨水是驾驭在1000gydF4y2BarpmgydF4y2Ba30gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba250年的加速gydF4y2BarpmgydF4y2Ba/gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba。然后,样品在一个ORL-DH烤箱烤1 h 150°gydF4y2BaCgydF4y2Ba。之后,一个新的层沉积银墨水,重复前面的过程。这个过程重复了四次,实现gydF4y2Ba $\approx gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}\mathrm{\mu gydF4y2Ba}\mathrm{米gydF4y2Ba}$ 厚度(gydF4y2Ba补充材料gydF4y2Ba)。最后进行了退火温度为20gydF4y2BahgydF4y2Ba,见gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba。接下来,TLM(输电线路测量)在银表面结构制造的光刻(gydF4y2Ba补充图S1AgydF4y2Ba)。TLM方法通常是用来确定一个金属和半导体之间的接触电阻gydF4y2Ba李维斯和哈里森(1982)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba维诺德(2011)gydF4y2Ba;然而在当前的上下文中工作,TLM用于测量之间的接触电阻银膜和探针台的尖端。为了这个目的,一个阿兹1500系列photoresin微量化学和印刷面具,最大分辨率为10gydF4y2BaμmgydF4y2Ba被使用。gydF4y2Ba补充图印地gydF4y2Ba显示了六点TLM结构,宽度为1000gydF4y2BaμmgydF4y2Ba和之间的分离中心垫的850年,1000年,1250年、1500年和1750年gydF4y2BaμmgydF4y2Ba,分别。gydF4y2Ba

2.3 TEM和SEM图像gydF4y2Ba

一个墨滴的分析进行了使用TEM,品牌:JEOL,型号100 CX二世,在100年的加速电压gydF4y2BakVgydF4y2Ba和100000倍的放大gydF4y2BaxgydF4y2Ba和270000年gydF4y2BaxgydF4y2Ba确定纳米颗粒的大小(gydF4y2Ba补充图S2gydF4y2Ba)。尺寸测量进行数码显微照片。AgNPs大小信息是有用的估计的初始电容墨水,后续部分中讨论。此外,退火过程可以通过SEM观察整个干燥时间(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba补充图S2gydF4y2Ba显示,100年的墨水有球形纳米粒子gydF4y2Ba纳米gydF4y2Ba平均大小。这些信息是至关重要的理解墨水电容行为在干燥的开始。在扫描电镜图像,所示gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba,可以看出root-like路径在烘干过程中所形成的。随后,随着时间的推移,墨水变成连续的电影。gydF4y2Ba

2.4电气特性的墨水在烧结gydF4y2Ba

油墨的特点是在烧结过程中由阻抗测量探针台内表现在恒定温度下,使用一个安捷伦E4980A电感电容电阻测量计和一个三轴thermal-chuck探针台。样本干90°gydF4y2BaCgydF4y2Ba和120°gydF4y2BaCgydF4y2Ba,与金属接触技巧(如所示gydF4y2Ba补充图S4gydF4y2Ba记录和阻抗频率从10作为时间的函数gydF4y2Ba千赫gydF4y2Ba1gydF4y2Ba兆赫gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

2.5电气特性的烧结墨水gydF4y2Ba

首先,电流电压(电流-电压)进行测量的不同段TLM结构。这些测量的目的是确定接触电阻以及墨水的电阻率。测量范围从−40gydF4y2Ba来gydF4y2BaOne hundred.gydF4y2BamVgydF4y2Ba目前合规的100gydF4y2Ba马gydF4y2Ba。(电流-电压)测量在黑暗中进行,在室温条件下,使用源测量单元(SMU)吉时利2636 b。为了确定热系数的墨水,这种测量不同温度下的重复:100,125,150,175°gydF4y2BaCgydF4y2Ba(gydF4y2Ba补充图S3gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

2.6结果gydF4y2Ba

图2一个gydF4y2Ba显示了(电流-电压)在室温下进行测量的结果。可以观察到一个线性关系的不同段TLM结构。预计这一行为的墨水一旦烧结过程已经完成,因为它变成了电阻元件。测量数据显示0.55%的标准差。可以看出,线段的长度的增加,获得一个小斜坡,阻力增加。TLM测量方法与长度和电阻率的增加。中所示的曲线的斜率gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba礼物Ω/单位gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba,对应的线性电阻墨水。拦截是两次墨水和之间的接触电阻探针台的尖端。斜率是2.5Ω/gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba,拦截0.17Ω。考虑TLM结构设计的几何数据gydF4y2Ba罗伯森et al。(2012)gydF4y2Ba,可以得出结论,墨水的电阻率为19.03×10gydF4y2Ba^{−8gydF4y2Ba}Ω。gydF4y2Ba米gydF4y2Ba,这是大约11.9倍的体电阻率银。这个值是一致的,由不同的油墨制造商干,在相同的温度下gydF4y2BaSigmaAldrich (2020)gydF4y2Ba。至于墨水的行为作为温度的函数,它可以看到gydF4y2Ba图2 bgydF4y2Ba它也是线性;所以,它可以被建模gydF4y2BaRgydF4y2Ba=gydF4y2BaRgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba(1 +gydF4y2BaαTgydF4y2Ba)。在这种情况下,gydF4y2BaαgydF4y2Ba= 7.8×10gydF4y2Ba^{−3gydF4y2Ba}Ω/°gydF4y2BaCgydF4y2Ba,大约是两倍的银散装gydF4y2Ba罗伊斯(2008)gydF4y2Ba。这些材料的内在属性的变化可以解释为考虑到烧结油墨是多孔材料。的percolative模型烧结墨水在后面的章节将讨论由于材料的孔隙度是与其电化学相关区域。gydF4y2Ba

3分析gydF4y2Ba

3.1分析电路模型gydF4y2Ba

该模型可以预测油墨必须干的时间和温度以达到一定的阻抗。此外,材料的孔隙度和墨水行为所需的时间完全电阻可以确定。重要的是要注意,这是一个方便的工具,预测一个自定义的行为和有用性墨水。一旦确定阻力,通过percolative模型,可以估算孔隙度和电化学领域给定的微量的银,这是极大的兴趣的传感器和生物传感器。基于获得的数据和信息收集工作中存在的作品gydF4y2Ba格里尔和街道(2007)gydF4y2Ba和gydF4y2BaSamano (2017)gydF4y2Ba分析电路模型,提出了油墨干燥作为时间的函数。大多数作品处理油墨干燥进行测量,获取一个指数减少阻力。这种现象可以解释为弗仑克尔提出的扩散模型gydF4y2Ba弗伦克尔(1945)gydF4y2Ba。在gydF4y2BaSamano (2017)gydF4y2Ba墨水阻抗的变化进行了分析,在模块和阶段,对不同频率作为时间的函数。温度测量在AC的90°gydF4y2BaCgydF4y2Ba和120°gydF4y2BaCgydF4y2Ba所示,gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba,根据观察到的行为gydF4y2BaSamano (2017)gydF4y2Ba、简化电路的串行RL并联电容器。根据这个模型,gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba表明新鲜油墨的高阻抗从几gydF4y2BaGgydF4y2BaΩ,数万gydF4y2Ba米gydF4y2BaΩ,这取决于频率。从这些信息,可以得出结论,在干燥的开始,墨水主要是电容,它同意的事实在热处理之前,油墨由小球体相互非常接近,涂层介质。烧结过程开始之前,每个球体可以估计的电容gydF4y2BaCgydF4y2Ba=gydF4y2BargydF4y2Ba/gydF4y2BaKgydF4y2Ba西尔斯和Zemansky (2013)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BargydF4y2Ba球的半径,大小分布的基础上吗gydF4y2Ba补充图S2gydF4y2Ba,值为100gydF4y2Ba纳米gydF4y2Ba和K是库仑常数(8.987×10gydF4y2Ba^9gydF4y2Ba纳米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/gydF4y2BaCgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)。每个AgNP的电容gydF4y2BaCgydF4y2Ba_NPgydF4y2Ba= 1.11×10gydF4y2Ba^{−17gydF4y2Ba}FgydF4y2Ba。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba对应于两个样品的实验结果表明,在不同温度下烧结。可以看出,阻抗的变化作为时间的函数是不同的,但最初的电容是一样的,证明最初的电容值是独立的烧结温度。鉴于探针台的几何技巧,定义,接触表面是3.83×10gydF4y2Ba^4gydF4y2BaμmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba,三分之一的地区,建议之间的距离是25gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba。因此,考虑层厚度为1gydF4y2BaμmgydF4y2Ba,总共初始电容可以估计考虑每个NP nanocapacitor,放置在与接触尖端和串联痕迹。右边的TEM图像的顶部gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba表明,NPs分组行为,可以认为是如果一个人被困。因此,最初的电容,gydF4y2BaCgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba是由:gydF4y2Ba

这个值是一致的,从测量获得gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba,计算出初始电容是3.12×10gydF4y2Ba^{−15gydF4y2Ba}FgydF4y2Ba。这电容减少作为电介质,以前涂布纳米粒子蒸发。由于退火是在介质的温度低于沸点,蒸发速率正比于物质的波动性,蒸汽压成正比。所示gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba,阻抗变化的斜率取决于干燥温度;因此,一个gydF4y2BaβgydF4y2Ba值在120°gydF4y2BaCgydF4y2Ba通过实验确定。以下表达式得到电容:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaβgydF4y2Ba(120°gydF4y2BaCgydF4y2Ba)= 0.02 - 1 /分钟。实验分析的阻抗在不同频率的初始时间,初始阻力gydF4y2BaRgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 2.09gydF4y2BaGgydF4y2BaΩ决心,一个值与之前报道的(gydF4y2Ba罗摩et al ., 2015gydF4y2Ba)。基于格里尔模型(gydF4y2Ba格里尔和街道。,2007年gydF4y2Ba),我们知道,电阻率有两个烧结模型,所以以下表达式得到电阻:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaτgydF4y2Ba= 4.0×10gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba是由晶格扩散烧结的特点时间gydF4y2Ba平底渔船(1961)gydF4y2Ba,gydF4y2BaγgydF4y2Ba(gydF4y2BaTgydF4y2Ba)gydF4y2BatgydF4y2Ba1 = 0.2 /分钟,gydF4y2BaβgydF4y2Ba是一个实验性的调整参数,描述了电阻的变化率,因此根据不同的烧结温度。新鲜的墨水没有归纳特点,所以L (0, T) = 0。同样,引起电感的导电轨道,创建以同样的速度,电容部分消失了。出于这个原因,我们有:gydF4y2Ba

然后,开始加入痕迹以同样的速度阻力减小,导致连续的电影。电感的表达式是:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BatgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba是一个延迟,gydF4y2BalgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba= 5gydF4y2BamHgydF4y2Ba。gydF4y2Ba

后取代情商。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,情商。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba和情商。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba在情商。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,该模型在Matlab模拟gydF4y2Ba^®gydF4y2Ba。gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba显示了模型和实验结果之间的比较。大约30分钟后,系统就完全电阻,这不再是一个对频率的依赖。gydF4y2Ba

3.2孔隙度测定gydF4y2Ba

开发生物传感器时,必须知道工作电极的电化学领域,它可以推断通过材料的孔隙度。这个模型的主要应用是确定印刷的阻抗跟踪将会通过其物理化学性质,温度和干燥时间。此外,当消除限制代理的过程,因此电容行为完成后,就可以推断出材料的孔隙度通过阻抗值。gydF4y2Ba赵et al。(2016)gydF4y2Ba在他的作品中描述了一个指数模型与空洞的分数在样例电阻值;然而,该模型适用于电阻率在相同的顺序批量银电阻率。在目前的工作,以确定空洞的部分在干燥过程中获得的扫描电镜图像进行了分析描述的方法gydF4y2Ba阿卜杜拉和Khairurrijal (2016)gydF4y2Ba。空洞的分数值获得四SEM图像gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba分别为68%、57%、49%gydF4y2Ba和gydF4y2Ba分别为45% (gydF4y2Ba补充图S6gydF4y2Ba)。方程gydF4y2Ba8gydF4y2Ba提出了适合空洞的分数为零,即,一个年代olid silver resistance, up to very high impedance values when the void fraction is up to 70%.

(在哪里gydF4y2BaZgydF4y2Ba)是烧结墨水的阻抗的实部,gydF4y2BaRgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba是一个纯银电阻器的电阻值相同的维度,gydF4y2Ba米gydF4y2Ba= 0.3是合适的系数和指数gydF4y2BafgydF4y2Ba_vgydF4y2Ba分数的空洞。gydF4y2Ba补充图S7gydF4y2Ba显示了一个符合的gydF4y2BaRgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba= 0.9985。gydF4y2Ba

4结论gydF4y2Ba

本文表明,它是可行的,使用商业纳米颗粒和架子上的化学物质生成水中悬浮体为开发一个定制的墨水。是显示的物理和电气特性,发达墨水属性相媲美的商业油墨。这巨大的价值由于纳米颗粒的低价格与商业墨水。也表明,一个简单的电路可以模型油墨的干燥与伟大的忠诚。表明,电容和电感的行为都可以观察到整个干燥过程,不仅是在协议与实验测量和文献中报道的数据,而且在相关的物理干燥。重要的是要强调了解油墨的物理参数,如纳米颗粒的大小,它的表面能量,扩散系数,外套的电介质纳米颗粒的性质,其波动,波动的溶剂,允许我们模拟油墨的干燥行为会出现在不同的温度。烧结过程是一个紧凑的模型有助于描述油墨的质量和优化烧结步骤。通过这种方式,我们能够确定衬底和过程兼容这些参数。最后,它展示了如何分析电路模型,结合percolative模型可以是一个有价值的工具材料的孔隙度的测定。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

通用汽车导致了数据的采集和分析,以及写手稿和领导了这一项目。某人导致了数据的采集和分析。HG导致样品的制作。SP数据的分析。詹,AO、MV、PJ导致起草。FP构思最初的想法并监督项目。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

这项工作获得资金从以下机构:UTN。英航CCUTIBA5219TC下项目,CCUTIBA4764TC、CCUTNBA0005182 MATUNBA4936,也是在项目下PIP11220130100077CO和MINCyT项目PICT2016/0579和皮克特人2017/2526。通用汽车想表达他的感激之情通过奖学金卡基础金融支持“Doctorado 2020”。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

特别感谢。玛丽亚茱莉亚Yanez电子显微镜实验室CONICET布兰卡港科学中心(CCTBB)。荷兰国际集团(Ing)。Juan Jose奥尔蒂斯和地方政府投资公司。费边·德·维塔阿根廷纳米技术的基础。最后,PLAPIQUI-CONICET-UNS和UTN-FRBA化学工程系提供设施的发展。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

补充材料gydF4y2Ba

本文的补充材料在网上可以找到:gydF4y2Bahttps://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/felec.2022.1060197/full补充材料gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba