Nanoskala bläckstråleutskrift

En ny typ av bläckstråleskrivare har utvecklats som exakt kan skriva ut punkter av olika material bara 250 nanometer i diameter. Bläckstråleskrivaren skulle kunna göra det möjligt att snabbt syntetisera komplexa strukturer i nanoskala av olika material.

Nanotryck: Den här bilden visar en bild av en blomma tryckt med en ny elektrohydrodynamisk bläckstråleskrivare. Varje prick är bara åtta mikrometer i diameter och består av enkelväggiga kolnanorör.

Målet är att göra tillverkning, säger John Rogers , professor i teknik vid University of Illinois, Urbana Champaign. De nya skrivarna kan använda ett brett utbud av material för att tillverka nya enheter, från plastelektronik och flexibla displayer till solceller och nya biomedicinska sensorer, säger Rogers.

Forskarna har visat att de nya bläckstråleskrivarna kan skriva ut mycket exakta mönster av elektriskt ledande polymerer och kolnanorör; de har också visat att DNA kan skrivas ut utan att skada det. Det är svårt att göra detta med traditionella tekniker för kiseltillverkning, säger Rogers.

Ofta finns de nanomaterial som behövs för att tillverka ultrasmå biomedicinska enheter och nanoskalig polymerbaserad elektronik i lösning, vilket innebär att de inte lämpar sig för traditionella mikrotillverkningstekniker. På grund av detta är tryckning ett attraktivt alternativ, både vad gäller kostnad och komplexitet, säger Heiko Wolf från IBM Zurich Research Labs ' Nanoscale Structures and Devices Group, i Schweiz.

Men mönstringsstrukturer på nanoskala har hittills visat sig vara utmanande. Konventionella bläckstråleskrivare är begränsade till upplösningar på cirka 25 mikrometer, säger Rogers.

Traditionella bläckstråleskrivare fungerar genom att trycka ut bläck ur ett munstycke för att bilda droppar, antingen genom att värma upp bläcket eller utöva fysiskt tryck för att tvinga ut det. Även om detta fungerar bra på mikrometerskalan, börjar problem med ytspänning och vätskeflöde att bli en barriär när forskare försöker gå mindre. Ju mindre munstycksstorleken är, desto svårare är det att få vätska att rinna genom det, säger Rogers. Så mängden kraft du behöver använda ökar oproportionerligt.

För att övervinna detta använder Rogers och hans kollegor ett annat tillvägagångssätt, kallat elektrohydrodynamisk bläckstråleutskrift (eller e-jet). Vi drar vätskorna snarare än trycker på dem, säger han.

Detta innebär att man använder elektriska fält för att skapa dropparna och förlitar sig på att det finns en viss mängd elektriskt laddade partiklar, eller joner, i vätskan. Kapillärkrafter drar vätskan från dess reservoar för att bilda en halvsfärisk droppe som hänger från dess kant, som en droppe vatten på en kran.

Genom att använda elektroder för att skapa ett elektriskt fält mellan munstycksspetsen och substratet som man vill trycka materialet på, är det möjligt att göra droppen konisk, säger Rogers. Joner ackumuleras vid ytan av vätskan, i spetsen av konen, säger han. Denna koncentration av joner gör att spetsen av konen bryts loss och bildar en droppe som bara är en bråkdel av konens volym.

Man kan generera droppar som är mindre än munstycksdiametern, säger Rogers. Du nyper verkligen bara av droppar. Det är bara i spetsen av konen som dropparna bildas.

Genom att använda detta tillvägagångssätt har Rogers och hans kollegor visat att de kan skriva ut linjer av ett material som är 700 nanometer breda eller enskilda punkter med bara 250 nanometer i diameter.

Förutom storleken på dropparna förbättras även den rumsliga noggrannheten, säger Rogers. Han och hans team upptäckte helt oväntat att fältet som användes för att skapa droppen också hjälper till att styra den laddade droppen mot målsubstratet. Det var en slags bonus, säger Rogers.

Elektrohydrodynamiska skrivare har använts tidigare, säger Howard Taub , biträdande direktör för HP Labs, i Palo Alto, CA. Nyheten här är den höga upplösningen, säger han.

Men, säger Taub, vad dessa nya e-jets gör upp för i upplösning saknar de i hastighet. De höga spänningar som krävs för att generera fälten kan vara svåra att pulsera för att skriva ut snabbt. Vanliga skrivare kan mata ut droppar i storleksordningen mellan 10 000 och 100 000 gånger per sekund. Rogers e-jets, å andra sidan, fungerar cirka 1 000 gånger i sekunden.

En lösning är att använda uppsättningar av bläckstrålehuvuden, säger Taub. Men detta kan leda till ytterligare problem, säger han: Dropparna kommer att interagera med varandra eftersom de är laddade. Så du måste hålla dem på avstånd.

Rogers säger att hans grupp arbetar med hastighetsfrågan. Han och hans kollegor har redan visat att munstycken kan placeras så nära som 250 mikrometer utan att droppar interagerar. De arbetar nu med flera tillverkare för att kommersialisera tekniken.

Dölj