Graphene Tinten für gedruckte Elektronik, Sigma-Aldrich
Einführung
Das aufstrebende Gebiet der gedruckten Elektronik erfordert eine Reihe von Funktionsmaterialien für Anwendungen einschließlich flexibleren und großflächigen Displays, 1 radio frequency identification-Tags, 2 tragbare Energie Ernte und Lagerung, 3,4 biomedizinischen und Umgebungssensorarrays, 5,6 und Logikschaltungen . 7 Um diese Technologien, funktionelle Materialien zu ermöglichen, müssen mit geeigneten Strukturierungstechniken, wie beispielsweise Tintenstrahl-, Tief- und Flexodruck integriert werden. 8,9 Da elektrischer Leiter eine Kernkomponente von elektronischen Geräten sind erhebliche Anstrengungen unternommen worden, Materialien gewidmet im Bereich der druckbaren Tinten leitend. Edelmetalle, leitfähigen Polymeren und Kohlenstoff-Nanomaterialien: 10 leitfähige Tinten können in drei Kategorien eingeteilt werden. 11 Diese Übersicht konzentriert sich auf eine Teilmenge von Kohlenstoffnanomaterial leitfähige Tinten auf Basis von lösungs verarbeitet Graphen.
leitfähige Tinten
Die verschiedenen Klassen von leitfähigen Tinten bieten einzigartige Eigenschaften für bestimmte Anwendungen geeignet. Unter den Edelmetallen, ist Silber das am weitesten verbreitete gedruckten Leiter aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit, und kann unter Verwendung von Tinte gedruckt werden, basierend auf entweder Silber-Nanopartikel (Aldrich Prod. Nr. 736465. 736473. 736481. 736503. und 736.511), oder Silber Vorläufer (Aldrich Prod. Nr 745707). 12,13 Diese Tinten bieten die höchste Leitfähigkeit bei gedruckten Materialien, sind aber auf teure Vorstufen basieren. Kupfer Tinten werden ebenfalls eingeführt worden, aber in der Regel erfordern Kern-Schale-Nanopartikel-Entwürfe oder spezialisierte photonischer Glühbehandlungen leitfähige Muster zu erzeugen. 11 Leitfähige Polymere, wie PEDOT: (.. Aldrich Prod Nos 739316. 768650. 768.642) PSS, wurden auch für gedruckte Elektronik-Anwendungen entwickelt worden. Diese Materialien bieten eine bescheidene Leitfähigkeit bei geringen Kosten, sind aber im Hinblick auf die chemische und thermische Stabilität begrenzt. Kohlenstoff-Nanomaterialien, einschließlich dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Aldrich Prod. Nr. 791490. 791.504 und 792.462) und Graphen, bieten eine preisgünstige Alternative mit hervorragender Umweltstabilität und wünschenswerter Leitfähigkeit, zusammen mit einzigartigen Eigenschaften, die für eine Reihe von Anwendungen. 11
Kohlenstoff-Nanomaterialien bieten eine Reihe von Möglichkeiten für gedruckte und flexible Elektronik. Die elektrischen Eigenschaften von sp 2 -gebundenen Struktur von Fullerenen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen führen, und Graphen sind besonders vielversprechend, und werden in einer Reihe von Anwendungen von Dünnfilmtransistoren (TFTs) und elektrochemische Sensoren zu Superkondensatoren und Photovoltaik genutzt. 14,15 Graphene ist der zweidimensionale sp 2 -gebundenen allotrope Kohlenstoff äquivalent zu einer einzigen Schicht aus Graphit, in 1a gezeigt. Mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit, überragende thermische und chemische Stabilität und die intrinsische Flexibilität, wurde für eine Reihe von Anwendungen in gedruckter Elektronik einschließlich der chemischen und thermischen Sensoren, 16,17 Mikrosuperkondensatoren, 18 und Dünnfilmtransistoren Graphen demonstriert. 19,20 Eine grundlegende Herausforderung Kohlenstoff-Nanomaterialien mit herkömmlichen Drucktechnologien zu integrieren, ist die Herstellung von Tinten geeignet für verschiedene Abscheideverfahren. Hier stellen wir die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung von Tinten, die einen Graphen Polymerstabilisators unter Verwendung von stabilen, hochkonzentrierte Tinten von reinem Graphen zu ermöglichen, mit abstimmbaren Viskosität und Lösungsmittelzusammensetzung.
Graphene Produktion
Eine Anzahl von Strategien gezeigt wurde, einschließlich Graphen Bottom-up-Verfahren, wie chemische Dampfabscheidung und epitaktisches Wachstum sowie Top-down-Verfahren, wie mikromechanische Exfoliation und Lösungsphasen Exfoliation zu erzeugen. 21 Unter diesen Ansätzen die letzte Methode bietet die kosteneffiziente und skalierbare Option für großvolumige Graphenproduktion. Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Exfoliation Graphit beschäftigen Oxydationsmitteln Graphenoxids zu erzeugen; Allerdings führen diese Strategien zu einer Verschlechterung der elektronischen Eigenschaften. 22 auf der anderen Seite kann reines Graphen direkt in organischen Lösungsmitteln durch Ultraschall oder Schermischung aus Graphit, 23,24, sondern den am besten geeigneten Lösungsmitteln, wie N-Methyl-Pyrrolidon (NMP) und Dimethylformamid (DMF) exfoliert wird, sind teuer , chemisch hart und schwer zu entfernen.
Eine alternative Technik hier hervorgehoben verwendet das Polymer Ethylcellulose (EC) in den preiswerten und gutartigen Lösungsmitteln, wie Ethanol. 25 Dieses Verfahren ermöglicht eine skalierbare und effiziente Produktion von Graphen, die für die Lösungsphasen-Strukturierungstechniken gut geeignet ist. Der Polymerstabilisator ermöglicht eine stabile, hochkonzentrierte Dispersionen Graphen in einem Bereich von Lösungsmitteln, einschließlich Ethanol, Terpineol und Cyclohexanon. Folglich bietet diese Chemie einen allgemeinen Ansatz zur Entwicklung Tinte mit breit abstimmbaren Tinteneigenschaften, wie beispielsweise Feststoffbeladung, Viskosität, Oberflächenspannung und Verdampfungskinetik der spezifischen Anforderungen der verschiedenen Drucktechnologien gerecht zu werden. 26 Graphene Flocken durch dieses Verfahren hergestellt werden durch eine typische Dicke von 1-3 nm und lateraler Abmessung von 50-100 nm gekennzeichnet. 27 Eine repräsentative Rasterkraftmikroskopie (AFM) -Bild der Graphenflocken und entsprechenden Teilchengrößenverteilungen sind in Figur 1b-d gezeigt. Aufbauend auf diesem Material können Tinten für verschiedene Druckverfahren entwickelt werden, wie weiter unten erläutert wird.
Abbildung 1. Lösung verarbeitet Graphen für gedruckte Elektronik. (A) Schematische Graphenstruktur, Hervorhebung mehr Eigenschaften relevant gedruckte Elektronik. (B) AFM-Bild-Lösung verarbeitet Graphenflocken. (C) Aufteilung der Plättchendicke, eine typische Flockendicke von 1-3 nm zeigt. (D) Verteilung der Flockenbereiche, eine typische Flockenfläche von 400 bis 40.000 nm 2 zeigt.
Inkjet Printable Graphene Tinte (793663)
Tabelle 1. Tintenstrahldruck von reinem Graphen
Gravure Druck Graphene Tinte (796115)
Tiefdruck eignet sich ideal für Hochdurchsatz, Rolle-zu-Rolle Paßform für die Großproduktion von gedruckten Elektronik. 29. Tinten für den Tiefdruck erfordern eine hohe Feststoffbeladung und gut kontrollierten Viskosität und Oberflächenspannung. Graphene Farben wurden für den Tiefdruck auf Basis von EC und Terpineol entwickelt. 30 mit einer Feststoffbeladung von 10% wt. und eine Viskosität von 0,75-3 Pa · s, diese Tinte gedruckt wurde, ein direkten Tiefdruck-System-Muster zu erzeugen, mit einer Auflösung von etwa 30 um, wie in Abbildung 3 Graphene Mustern durch dieses Verfahren weist eine Filmmorphologie hergestellt gezeigte und die Leitfähigkeit, die auf Tintenstrahldruckmuster ähnlich ist. Die rheologischen Eigenschaften von Graphen Tinten für Ink-Jet-und Tiefdruck entwickelt sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2. Graphene Tinten für Tintenstrahldrucker und Tiefdruck
Graphene Filmeigenschaften
Neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, die bedruckten Folien zeigen Graphen eine robuste Toleranz gegenüber Biegebelastungen. Wie in Figur 5 gezeigt Graphenlinien gedruckt auf Kapton ™ zeigten keine meßbare Widerstandsänderung während gespannter (Zugverformung) zu einem Radius von 4 mm. Zusätzlich 27 behalten die Leitungen auch ihre elektrischen Eigenschaften, wenn sie bei einem Krümmungsradius bis 1000 Biegezyklen unterzogen, von <1 mm. Finally, graphene lines exhibited only a small increase in resistance when folded.
Anwendungen gedruckter Graphene
Tabelle 3. Anwendungen von gedruckten Graphen
Wir haben gezeigt, dass eine stabile, hohe Konzentration Graphen Tinte ein stabilisierendes Polymer-System entwickelt werden kann. Dieses Materialsystem ermöglicht breite Abstimmung der Rheologie und andere Fluideigenschaften Tinten für Inkjet-und Tiefdruck zu realisieren. Zusätzlich wird flake Aggregation dicht und hochleitfähigen Graphen Folien nach der thermischen Tempern ergeben abgemildert. Die Fähigkeit, Muster Graphen Folien lösungsbasierte Drucktechniken ermöglicht eine Reihe von Anwendungen von leitenden und stabilen Oberflächenbeschichtungen für elektrochemische Sensoren zu den Elektroden, Dünnfilmtransistoren und andere Druckvorrichtungen.
Anerkennungen
Diese Arbeit wurde durch das Office of Naval Research MURI Program (N00014-11-1-0690) unterstützt. EBS wurde durch das Department of Defense (DoD) durch die National Defense Science and Engineering Graduate (NDSEG) Fellowship-Programm unterstützt.