微电子打印与金属纳米颗粒墨水
微电子打印是一门材料科学与工程原理相结合的跨学科技术，该技术可以使用打印设备将导电墨水精确地沉积到基材上，从而按需制造高度可定制的电子产品。尽管微电子打印可以在各种基材上对各种功能的电子产品进行快速原型制作，具备低成本、周期短和高度定制化等潜力。但目前阶段，微电子打印制作电子器件的成本还比较高，电子墨水在成本构成中占很大的比重，深入了解微电子打印技术使用的墨水对于该技术的普及和发展至关重要。不同类型的墨水具有不同的特性和功能，目前市场上可用的墨水有金属纳米颗粒墨水，金属有机分解墨水，导电聚合物墨水，介电层墨水，半导体墨水，碳纳米管墨水和石墨烯墨水（图1）。
图1. 微电子打印电子技术使用的不同类型的墨水。
1、金属纳米颗粒墨水
金属纳米颗粒墨水是金属纳米颗粒在液体介质中的悬浮液（图2a），其中单个金属纳米颗粒被封装在一层绝缘的有机添加剂和稳定剂中（图2b），包裹可以防止金属纳米颗粒发生团聚，同时也阻碍了电子在颗粒之间的流动。因此，在打印完成以后，需要采用烧结工艺去除液体介质和各类有机添加剂，使金属纳米颗粒可以与相邻颗粒形成接触点以进行导电（图2c）。液体介质和有机添加剂分解后，印刷图案主要是由金属纳米颗粒组成。因此，金属纳米颗粒的材料组成在很大程度上决定了印刷图案的电学、机械和材料特性。
尽管印刷图案的电学、材料和机械性能以及所需的烧结温度主要受金属纳米颗粒墨水的材料组成影响，但其他参数也会影响这些性能。金属纳米颗粒墨水的参数可以分为金属纳米颗粒和液体介质两部分（见图3）。金属纳米颗粒可以根据其材料组成、颗粒大小、颗粒形状和颗粒浓度进行分类。液体介质也可以根据载体、分散剂和添加剂进行分类。金属纳米颗粒的熔点和粒径大小有关，纳米颗粒的熔点明显低于其本体对应物。例如，直径为5nm的球形金纳米颗粒的熔化温度低于300°C，而金本体的熔化温度为1064°C。这种独特的现象使纳米颗粒的烧结温度大大降低。此外，颗粒形状也会影响金属纳米颗粒的光学、电学、磁学和催化性能。金属纳米颗粒墨水的固含量直接影响印刷图案的电导率。此外，墨水中有机添加剂和稳定剂的分解温度也会影响所需的烧结温度，因为在金属纳米颗粒聚结之前，必须除去这些有机添加剂和稳定剂。
图3.金属纳米颗粒的参数
在选择用于导电墨水的金属纳米颗粒时，需要考虑几个重要因素：电导率，氧化稳定性，成本以及所需的电磁性能（见图4）。微电子打印应用通常要求印刷导电线路具有最小的电阻，以减少焦耳热效应并提高效率。因此，选择具有更好电导率的材料制作金属纳米颗粒墨水是合乎逻辑的。例如，由于银，金和铜的优越的导电性，它们通常是金属纳米颗粒墨水的首选材料。除了导电性以外，金属纳米颗粒的材料成分还应具有良好的氧化稳定性。在升高温度时，某些金属在暴露于空气中时趋于形成金属氧化物，这些类型的金属对于配制金属纳米颗粒墨水是不太理想的。例如，铜纳米颗粒在升高的温度下会在大气中迅速氧化，并且铜氧化物（CuOs）的导电性明显低于纯铜纳米颗粒。尽管良好的电气和材料性能至关重要，但其材料成本也不能忽略。由于微电子打印旨在降低制造成本，因此材料成本不能太高。例如，高导电性的金纳米颗粒墨水表现出出色的电性能和氧化稳定性，但是对于微电子打印批量生产而言，金纳米颗粒墨水的价格太高了。最后，具有独特的电磁性能的材料也可能是选择材料成分时考虑的因素。
图4.用于金属纳米颗粒墨水的金属纳米颗粒的选择。
1.3、金属纳米颗粒墨水的类型
Authors: Hong Wei Tan, Jia An, Chee Kai Chua, Tuan Tran*
Title: Metallic Nanoparticle Inks for 3D Printing of Electronics
Published in: Advanced Electronic Materials, 2019, 5, 1800831.
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来源：柔性电子服务平台
