Сотрудники Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН уже несколько лет ведут исследования по совершенствованию и разработке методик получения чернил для печатной электроники. Результаты работ позволят производить большее количество наночастиц, сохраняя их высокую стабильность.
Наука в Сибири (17.05.2021)
Российский научный фонд (17.05.2021)Новости Сибирской науки (17.05.2021)
Область печатной электроники на сегодняшний день является одним из перспективных направлений научных исследований. Она связана с производством электронных устройств при помощи специальных чернил. Такой подход к созданию плат, микросхем и прочих элементов современной техники намного проще и дешевле ныне используемых, но массово его пока не применяют. Главное препятствие состоит в получении чернил. Синтезировать необходимое количество вещества можно, однако срок его хранения будет ничтожно мал. Способы получения стабильных чернил намного сложнее и требуют больше времени. К примеру, на выпуск бутылька с жидкостью объемом 50 мл компаниям, занимающимся ее производством, требуется около недели.
«В печатной электронике необходимо использовать именно наночернила, ведь если частицы металла, из которых чернила состоят примерно наполовину, будут слишком крупными, то они попросту забьют сердце принтера — его печатающую головку. Обычно мы работаем с частицами размером менее десяти нанометров», — отмечает старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Павел Сергеевич Поповецкий. Чаще всего используется серебро, так как оно является лучшим проводником среди металлов, или золото, кроме того, чернила включают в себя растворитель и стабилизатор. Важно добиться высокой концентрации металла, но не допустить слипания частиц между собой.
Наночастицы размером 20 нм
Для получения наночастиц исследователи используют мицеллы, состоящие из поверхностно-активных веществ (ПАВ). Характерная особенность ПАВ — наличие гидрофобных (хвосты) и гидрофильных (головы) функциональных групп. В зависимости от их типа и количества одни ПАВ лучше растворяются в воде, а другие — в органических веществах, образуя прямые или обратные мицеллы. Внутрь последних помещают соединения, которые в ходе реакции и дают наночастицы необходимых материалов. К поверхностно-активным веществам относится аэрозоль ОТ, с которым активно работают сотрудники Института неорганической химии.
По словам Павла Сергеевича, классический процесс синтеза наночастиц с использованием обратных мицелл АОТ довольно прост: «Растворяете ПАВ в каких-либо жидких углеводородах, самые ходовые — декан, гексан и изооктан, добавляете растворы нитрата серебра, если хотите получить наночастицы этого металла, затем восстановитель, например гидразин, всё это как следует смешиваете, ждете пару часов — и наночастицы готовы». Реакции восстановления происходят в полостях мицелл, они сдерживают разрастание частиц, в результате чего удается добиться нужных размеров.
В зависимости от типа растворителя можно получать органические или водные чернила. «По сути, это как сравнивать водоэмульсионную краску и эмаль. Последняя имеет неприятный запах, стоит дороже, но качество покрытия при ее использовании значительно выше, зато водоэмульсионная краска экологичнее. Выбор зависит от сферы применения», — рассказывает Павел Поповецкий. После производства чернил они наносятся на подложку, затем удаляется стабилизатор и получается рисунок микросхемы. Ученый отмечает: «Используемый нами ранее классический метод получения наночастиц в неводных средах хорош почти всем, но только не производительностью. К тому же ее крайне сложно увеличить, сохранив при этом размер частиц на нужном уровне. В нашей лаборатории смогли решить эту проблему».
На ранних этапах исследований ИНХ СО РАН был предоставлен грант Российского научного фонда на разработку новых способов производства, концентрирования и обработки красок для печатной электроники. В результате этого проекта была создана новая методика выделения наночастиц в динамической эмульсии, позволившая сохранить срок, в течение которого их размер остается неизменным. При этом сотрудникам института удалось увеличить производительность синтеза примерно в 30 раз в сравнении с классическими подходами. В ИНХ СО РАН был создан уникальный способ неводного электрофоретического концентрирования, позволивший производить чернила, которые можно хранить годами.
Изучением печатных технологий в лаборатории химии экстракционных процессов ИНХ СО РАН ученые занимаются с 2015 года. Тогда был получен грант Российского научного фонда, направленный на разработку новых рецептур чернил. Работы велись под руководством заведующего лабораторией химии экстракционных процессов ИНХ СО РАН доктора химических наук Александра Ивановича Булавченко. Сейчас Павел Поповецкий разрабатывает собственные направления исследований. РФФИ и правительство Новосибирской области предоставили гранты на поиск альтернативных стабилизаторов в качестве замены традиционно используемого в лаборатории АОТ. Благодаря этому планируется снизить количество примесей в получаемых на основе чернил пленках. «АОТ содержит натрий и серу. Если от первого элемента благодаря новой методике синтеза мы вполне можем избавиться, то второй цепляется к серебру почти намертво. При обработке удалить его нельзя. Неионные ПАВ не содержат серу и натрий, легче и полнее удаляются, но получаемые с их помощью наночастицы, как правило, не заряжены. Это плохо влияет на их стабильность», — рассказывает Павел Сергеевич. Исследователям уже удалось получить заряженные частицы в неионном стабилизаторе. Концентрация металла в выделяемых чернилах оказалась ниже, чем при старом подходе, но пленки можно получать при более низких температурах. Еще одно направление работы ученого — поиск стабилизаторов, дающих возможность чернилам диспергироваться как в воде, так и в органических растворителях. Это позволит использовать в одном и том же печатном оборудовании независимо от его предназначения как сольвентные, так и водные краски.
Несмотря на то, что сегодня печатные технологии массово не используются, исследователями разных странах мира предлагаются все новые и новые способы их применения. В Израиле, к примеру, при помощи современных методов печатают микросхемы и многослойные устройства из полупроводниковых, металлических и диэлектрических частиц. В США проводились опыты по печати на ткани металлическими чернилами. Оказалось, что под действием сжатия свойства нанесенного рисунка сохраняются. В дальнейшем это можно будет использовать в спортивной одежде, у тренеров появится возможность дистанционно следить за физическим состоянием спортсменов. Печатные технологии планируется задействовать и в производстве средств коммуникации. Корейские ученые при помощи серебряных чернил смогли разработать гибкие микросхемы с прозрачностью около 98 %, которые помогут при изготовлении сенсорных дисплеев.
Использование печатных технологий в производстве электроники, по оценкам экспертов, позволит сэкономить десятки миллиардов долларов. При этом способ нанесения чернил может быть любым, главное — научиться получать достаточное количество красок и обеспечить их продолжительное хранение. Ученые считают, что решение этой проблемы — вопрос времени, поэтому уже в обозримом будущем новый способ производства сможет стать достойной альтернативой традиционному.
Дмитрий Медведев, студент отделения журналистики ГИ НГУ
Фото предоставлены исследователем
