Britische Forscher von der University of Nottingham und des National Physical Laboratory haben herausgefunden, dass 3D-gedruckte Objekte und elektronische Geräte aufgrund von sehr dünnen Schichten organischer Stabilisatorrückstände in Metallnanopartikeltinten (MNP) an Leitfähigkeit verlieren. Der 3D-Druck funktionaler elektronischer Geräte könnte so schwierig werden. Neben neuen Techniken wollen die Forscher nun auch neue Tintenformulierungen finden, die das Problem beheben.

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Tinten mit Metallnanopartikeln (MNP) werden sehr häufig für 3D-gedruckte Elektronik verwendet. Tintenstrahlschichten aus MNP-Materialien ermöglichen flexible Designs, schnelle Verarbeitung und den 3D-Druck funktioneller elektronischer Geräte wie Sensoren, LED-Anzeigen, Sonnenkollektoren, intelligenter Textilien und Transistoren. Eine Studie der University of Nottingham und des National Physical Laboratory zeigte, dass 3D-Druck-Objekte und elektronische Geräte aufgrund von sehr dünnen Schichten organischer Stabilisatorrückstände in Metallnanopartikeltinten (MNP) an Leitfähigkeit verlieren. Das berichtet die University of Nottingham in einer Pressemitteilung.

Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „Residual polymer stabiliser causes anisotropic electrical conductivity during inkjet printing of metal nanoparticles“ im Nature Journal Communications Materials veröffentlicht.

Inkjet-3D-Druck von Metallen

Beim Inkjet-3D-Druck von Metallen entsteht ein festes Druckobjekt in einem zweistufigen Verfahren. Zuerst wird das Lösungsmitteln beim Drucken (Fixieren) verdampft und im Anschluss werden die Nanopartikel bei niedriger Temperatur (Sintern) verfestigt. Niedrige Temperaturen sind optimal, da in vielen Anwendungen die Nanopartikel mit anderen funktionellen oder strukturellen organischen Materialien gedruckt werden, die auf höhere Temperaturen empfindlich reagieren.

Durch Tintenstrahldrucken entstehende MNP-Schichten weisen eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit zwischen horizontaler und vertikaler Richtung auf. Diese Anisotropie ist ein Problem für den 3D-Druck funktionaler elektronischer Geräte. Fortgeschrittene Anwendungen sind so nicht möglich.

Details zur Untersuchung beim Inkjet-3D-Druck
(links) Digitaler Tintenstrahldruck von Tinten, die Metallnanopartikel enthalten, mit In-situ-Lösungsmittelverdampfung (Pinning). (rechts) Optische und chemische Bilder einer gedruckten Schicht aus Silbernanopartikeln mit organischen Rückständen an der Oberfläche (Bild © Gustavo Trindade).

Verringerte vertikale Leitfähigkeit durch Rückstände

Die Verwendung von Silbernanopartikeln zeigte, dass die verringerte vertikale Leitfähigkeit durch eine gedruckte Vorrichtung durch organische chemische Rückstände in den Tinten verursacht wird. Forscher gingen bisher davon aus, dass Form- und physikalische Kontinuitätsprobleme an den Grenzflächen der Nanopartikelbestandteile das Problem sind. Die Rückstände, die den Tinten zur Stabilisierung der Nanomaterialien zugesetzt werden, führen zu niedrigleitenden, sehr dünnen Schichten im Nanobereich, die die elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Probe in vertikaler Richtung beeinträchtigen.

Die Forscher hoffen, neue Techniken und Tintenformulierungen zu definieren, um das Problem zu beseitigen.

Der Hauptautor, CfAM Research Fellow Dr. Gustavo Trindade, sagte:

„(…) Diese neue Erkenntnis ermöglicht die Entwicklung von Wegen zur Überwindung der funktionellen Anisotropie in Nanopartikeln auf Tintenstrahlbasis und wird daher die Akzeptanz dieser potenziell transformierenden Technologie verbessern und sie gegenüber der konventionellen Fertigung wettbewerbsfähig machen. Unser Ansatz ist auf andere Tinten auf Nanomaterialbasis übertragbar, einschließlich solcher, die diese enthalten. Graphen und funktionalisierte Nanokristalle und wird die Entwicklung und Nutzung von 2D- und 3D-gedruckter Elektronik wie flexiblen und tragbaren Sensoren, Sonnenkollektoren, LED-Anzeigen, Transistoren und intelligenten Textilien ermöglichen.“

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