Un multi ibrido

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2513 (2023) Citare questo articolo

612 accessi

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Le prestazioni elettriche limitate dei dispositivi microelettronici causate dalla bassa connettività interparticellare e dalla qualità di stampa inferiore rappresentano ancora l’ostacolo più grande da superare per la tecnologia di stampa a getto di aerosol (AJP). Nonostante l’incorporazione di nanotubi di carbonio (CNT) e solventi specifici negli inchiostri funzionali possa migliorare rispettivamente la connettività interparticellare e la stampabilità dell’inchiostro, è ancora difficile considerare contemporaneamente più proprietà contrastanti nella progettazione della miscela. Questa ricerca propone un nuovo metodo ibrido di ottimizzazione multi-obiettivo per determinare la composizione funzionale ottimale dell'inchiostro per ottenere una bassa resistività elettrica e un'elevata qualità della linea stampata. Nell'approccio proposto, inchiostro d'argento, inchiostro CNT ed etanolo vengono miscelati in base al design della miscela e vengono sviluppati due modelli di superficie di risposta (ReSM) basati sull'analisi della varianza. Quindi viene utilizzato un metodo della funzione di desiderabilità per identificare una finestra di materiale operativo ottimale 2D per bilanciare le risposte contrastanti. Successivamente, gli obiettivi contrastanti vengono ottimizzati in modo più robusto nello spazio di progettazione della miscela 3D attraverso l'integrazione di un algoritmo genetico di ordinamento non dominato III (NSGA-III) con i ReSM sviluppati e la corrispondente incertezza statistica. Vengono condotti esperimenti per validare l'efficacia dell'approccio proposto, che estende la metodologia di progettazione di materiali multicomponente e multiproprietà nella tecnologia AJP.

La stampa a getto di aerosol (AJP) sta emergendo come una tecnologia di stampa tridimensionale (3D) trasformativa per fabbricare dispositivi microelettronici flessibili e ad alta risoluzione1,2. Rispetto alle tecniche di fabbricazione convenzionali, come l'incisione, la fotolitografia e la galvanica3, l'AJP può ridurre significativamente i rifiuti chimici e semplificare il processo di produzione4, riducendo al tempo stesso i costi di fabbricazione5. Pertanto, è stato ampiamente adottato nell'industria manifatturiera elettronica per fabbricare componenti microelettronici avanzati6,7,8. Tuttavia, a causa della resistività della linea stampata relativamente elevata di AJP, le prestazioni elettriche dei dispositivi microelettronici prodotti da AJP sono limitate, come ad esempio il basso fattore di sensibilità/misura dei sensori resistivi stampati per la misurazione di temperatura/deformazione, che limiterà l'ampia gamma applicazione della tecnologia AJP. Ciò è dovuto alle lacune e ai difetti nella struttura delle nanoparticelle depositate, come i confini granulari e i difetti strutturali9. Di conseguenza, la connettività tra le nanoparticelle metalliche è gravemente danneggiata e le linee metalliche stampate mostrano una resistività elettrica relativamente elevata rispetto ai materiali metallici sfusi, minando in modo significativo le prestazioni elettriche dei componenti elettronici stampati. Nonostante l'ottimizzazione delle condizioni di sinterizzazione (temperatura e tecnica) possa migliorare la morfologia superficiale delle linee stampate, ottenendo una resistività inferiore a 2 volte la resistività dell'argento in massa10,11, è anche importante ridurre la resistività delle linee stampate migliorando la connettività nella struttura delle nanoparticelle prima del processo di post-stampa. Inoltre, poiché la bassa stampabilità di un inchiostro funzionale tende a indurre un'interazione aerodinamica di non equilibrio all'interno della testina di stampa, le linee conduttive verranno stampate con caratteristiche morfologiche inferiori12, che degraderanno ulteriormente le prestazioni elettriche dell'elettronica prodotta13.

A causa delle proporzioni estreme, i nanotubi di carbonio (CNT) dimostrano vantaggi come ponti per collegare i difetti/confini granulari nelle linee conduttive stampate, che miglioreranno la conduttività dei componenti elettronici stampati migliorando i contatti elettrici tra le particelle formate e i coefficienti di espansione termica tra modelli stampati e substrati14. Pertanto, sono stati condotti vari studi sull'incorporazione dei CNT negli inchiostri funzionali delle nanoparticelle per fornire una connettività interparticellare superiore e migliorare le proprietà elettriche dei componenti elettronici stampati con getto di aerosol15. Oltre a migliorare le proprietà elettriche, la capacità conduttiva su richiesta delle pellicole stampate può essere ottenuta sulla base di un caricamento di CNT personalizzabile e controllabile16. Tuttavia, poiché la conduttività dei CNT è relativamente inferiore a quella degli inchiostri funzionali a nanoparticelle metalliche, le prestazioni dei CNT come riempitivi che migliorano la conduttività dipendono dalla concentrazione relativa rispetto al livello di percolazione17. Pertanto, sono necessari ulteriori studi volti a ottimizzare la composizione relativa tra CNT e inchiostro funzionale a nanoparticelle per il miglioramento della conduttività. D'altra parte, poiché una linea depositata è l'elemento fondamentale dei componenti elettronici stampati a getto di aerosol18, sono stati adottati vari metodi di apprendimento automatico e approcci empirici per ottimizzare la qualità della linea stampata19,20,21, che sarà vantaggioso per le prestazioni elettriche ottenute13. Nonostante questi studi contribuiscano a promuovere l’applicazione della tecnica AJP sotto un certo aspetto, esiste la necessità di migliorare ulteriormente le prestazioni elettriche complessive sotto la duplice ottimizzazione simultanea della conduttività della linea stampata e della qualità di stampa.