Modellazione laser in rame su un substrato flessibile utilizzando un costo

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 21149 (2022) Citare questo articolo

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Abbiamo studiato la modellazione laser diretta ed economica del rame (Cu) su substrati sottili di poliimmide (spessore PI: 12,5–50 µm) utilizzando un modulo laser da 405 nm collegato a una stampante 3D economica. La lunghezza focale del laser è stata controllata intenzionalmente per ridurre i difetti sul Cu modellato e i danni superficiali del PI in condizioni di processo predeterminate. La lunghezza focale appropriata è stata esaminata a varie distanze focali. Distanze focali di -2,4 mm e 3 mm sono state trovate rispettivamente per la lunghezza focale più corta (SFL) e per la lunghezza focale più lunga (LFL), rispetto alla lunghezza focale effettiva. Ciò ha prodotto modelli di linee di Cu puliti senza difetti di linea. È interessante notare che il caso SFL aveva un modello di crescita del Cu diverso da quello del LFL, indicando che la piccola differenza nell’angolo di incidenza del laser potrebbe influenzare la sinterizzazione del precursore del Cu. I modelli quadrati di Cu avevano una resistività inferiore di 70 μΩ·cm per un LFL dopo tre o quattro scansioni laser, mentre l'SFL ha mostrato una resistività inferiore a 48 μΩ·cm per una scansione laser una tantum. I residui del precursore Cu su PI sono stati facilmente rimossi con acqua corrente e normali tensioattivi. Tuttavia, la resistività dei modelli è diminuita dopo la pulizia. Tra gli spazi di scansione, il modello quadrato di Cu formato con uno spazio di scansione di 70 μm presentava la resistenza del foglio più bassa e la variazione minima di resistenza da circa 4 a 4,4 Ω/ϒ dopo la pulizia. Questo risultato implica che l'adesione del Cu modellato potrebbe essere migliorata se il precursore di Cu rivestito fosse ben sinterizzato nelle condizioni di processo adeguate. Per l'applicazione di questo metodo alla bioelettronica, compresi i biosensori, i LED sono stati collegati ai modelli di Cu sul PI attaccati alla pelle del braccio e hanno funzionato bene, anche quando il substrato PI è stato piegato durante il collegamento dell'alimentazione.

I dispositivi piccoli e portatili su substrati sensibili e flessibili richiedono processi di modellazione diretta invece di processi litografici che richiedono deposizione sotto vuoto, fotoresist e incisione chimica tossica1,2,3,4,5,6,7. Pertanto, i processi di modellazione diretta sono stati ampiamente studiati utilizzando inchiostri a nanoparticelle metalliche, come argento (Ag) e oro (Au)8,9,10. Al posto dei costosi metalli nobili, i compositi a base di rame (Cu) attirano l'attenzione grazie alle loro eccellenti proprietà termiche ed elettriche e al rapporto costo-efficacia11,12,13. Tuttavia, a causa della loro bassa energia potenziale di ossidazione (0,34 V) rispetto ai metalli nobili (Au, 1,52 V; Ag, 0,799 V), presentano lo svantaggio di una facile ossidazione all'aria11. Pertanto, la sinterizzazione termica non può essere utilizzata per ridurre il precursore Cu in un ambiente ambiente. Recentemente sono stati segnalati numerosi tentativi come metodo alternativo di sinterizzazione termica. Una tecnica efficace è quella di proteggere e stabilizzare Cu-NP applicando un rivestimento protettivo14,15 o utilizzando un metallo nobile sottile in una struttura core-shell16,17. Il precursore del Cu può anche essere sinterizzato utilizzando lampade flash ad alta potenza, che possono essere facilmente integrate in linee di produzione di massa18,19,20,21. Poiché questo metodo può riscaldare il precursore del Cu a una temperatura elevata per la sinterizzazione completa in pochi millisecondi, riducendo al minimo l'ossidazione del Cu sotto l'aria e l'impatto sui substrati a base di polimeri, questa sinterizzazione fotonica è un'opzione interessante per l'elettronica stampata di grandi dimensioni. Tuttavia, le lampade flash emettono una luce forte e ad ampio spettro, che può causare la deformazione parziale dei substrati a base polimerica. Tuttavia, la riduzione dell'intensità del flash per mitigare questo rischio ridurrà la qualità della sinterizzazione. Inoltre, questo metodo non è un metodo di modellazione diretta ed è richiesto un ulteriore processo di modellatura prima e dopo la sinterizzazione del Cu.

Un'altra tecnica promettente è la sinterizzazione laser diretta22,23,24,25,26,27. Durante la messa a fuoco, l'energia del raggio focalizzato viene assorbita dal precursore e induce un processo di riscaldamento transitorio localizzato che determina una rapida sinterizzazione. Di conseguenza, è possibile ottenere modelli metallici la cui risoluzione può essere limitata dal sistema ottico e dai precursori metallici. La scansione rapida può fornire modelli metallici ad alta risoluzione larghi pochi micrometri. Inoltre, in condizioni ambientali, l'ossidazione del Cu viene impedita se il tempo di sinterizzazione è sufficientemente breve. L'inchiostro non sinterizzato può essere facilmente rimosso mediante lavaggio, che completa il processo di modellazione. Tuttavia, questo processo può danneggiare i substrati a base polimerica a causa dell’uso di un laser focalizzato con un’elevata densità di energia.