Onda acustica superficiale ibrida

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 15178 (2015) Citare questo articolo

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La tecnologia convenzionale di deposizione elettrostatica delle onde acustiche superficiali (SAW-ED) fatica a competere con altre tecnologie di fabbricazione di film sottili a causa della sua limitazione nell'atomizzazione di soluzioni ad alta densità o soluzioni con forte legame interparticellare che richiede una frequenza molto elevata (100 MHz) e energia. In questo studio, è stato introdotto un sistema ibrido di onde acustiche superficiali - atomizzazione elettroidrodinamica (SAW-EHDA) per superare questo problema integrando EHDA con SAW per ottenere la deposizione di diversi tipi di inchiostri conduttivi a frequenza inferiore (19,8 MHZ) e potenza. Tre materiali, poli [2-metossi-5-(2-etilesilossi)-1, 4-fenilenevinilene] (MEH-PPV), ossido di zinco (ZnO) e poli (3, 4-etilendiossitiofene): polistirene solfonato (PEDOT: PSS ) sono stati depositati con successo come film sottili attraverso l'ibrido SAW-EHDA. I film hanno mostrato buone caratteristiche morfologiche, chimiche, elettriche e ottiche. Per valutare ulteriormente le caratteristiche dei film depositati, è stato fabbricato un sensore di umidità con uno strato attivo di PEDOT:PSS depositato utilizzando il sistema SAW-EHDA. La risposta del sensore è stata eccezionale e molto migliore rispetto a sensori simili fabbricati utilizzando altre tecniche di produzione. I risultati del dispositivo e le caratteristiche dei film suggeriscono che la tecnologia ibrida SAW-EHDA ha un alto potenziale per produrre in modo efficiente un'ampia varietà di film sottili e quindi prevederne il futuro promettente in alcune aree dell'elettronica stampata.

La scienza e la tecnologia dei film sottili hanno svolto un ruolo importante nelle industrie ad alta tecnologia. L'industria del film sottile è presente negli ultimi decenni e, data la sua immensa importanza e le sue capacità uniche, le aree di applicazione dei film sottili sono state ampiamente ampliate. I più notevoli di questi sono dispositivi microelettronici, rivestimenti ottici, impianti biologici, rivestimenti resistenti all'usura, display a schermo piatto, celle fotovoltaiche e sensori1,2,3,4,5. Una grande varietà di materiali tra cui metalli, elementi puri, materiali organici e composti come ossidi, nitruri e polimeri possono essere depositati su diversi tipi di substrati come metalli, ceramiche e polimeri, attraverso tecnologie a film sottile6,7,8. Ciò è dovuto ai bisogni e ai requisiti in continua evoluzione di vari campi scientifici, per cui le tecnologie a film sottile sono state continuamente sviluppate e sono state introdotte tendenze più sofisticate e avanzate per soddisfare le esigenze del settore in crescita. Alcune delle tecnologie a film sottile più utilizzate sono il rivestimento a rotazione, la deposizione di vapori chimici, la deposizione di strati atomici, lo sputtering, il rivestimento a rotazione, l'atomizzazione elettroidrodinamica, la microstampa rotocalco, la deposizione di strati atomici atmosferici roll-to-roll e la serigrafia9,10. 11,12.

Uno dei possibili candidati per la fabbricazione di film sottili e la deposizione di modelli è la tecnologia di atomizzazione delle onde acustiche superficiali (SAW)13. Le onde SAW sono onde Raleigh superficiali ad altissima frequenza che viaggiano nel substrato piezoelettrico e possono energizzare le particelle di goccioline attraverso le vibrazioni, provocando l'atomizzazione e producendo una nebbia secca di goccioline14,15,16. Realizzando l'atomizzazione fine degli inchiostri conduttivi tramite SAW, Kim et al. lo ha applicato nella fabbricazione di chip proteici incorporando SAW con deposizione elettronica (SAW-ED), dove le particelle atomizzate cariche delle proteine ​​conduttrici venivano spostate in senso opposto alla gravità utilizzando un forte campo elettrico17. Ciò ha portato all'introduzione di un nuovo metodo che potrebbe essere utilizzato per modelli e deposizione di film. Sebbene l'efficienza di raccolta sia stata migliorata utilizzando un collimatore di carica, la deposizione non è stata continua poiché la gocciolina è stata posizionata ripetutamente sul trasduttore interdigitale (IDT) dopo l'atomizzazione. Inoltre, a causa dell'ampio volume attivo della goccia, la dimensione delle particelle atomizzate era leggermente inferiore a 10 μm, che pur non essendo inferiore alla dimensione minima delle gocce ottenibile con EHDA, evita solo i problemi di blocco degli ugelli. Il problema è stato risolto e la frequenza SAW è stata aumentata fino a 95 MHz per produrre particelle submicroniche18. Attualmente, i problemi con SAW-ED includono che la fabbricazione di un IDT in grado di funzionare a una frequenza così elevata è molto costosa e inoltre l'atomizzazione non è continua, il che influisce sul tempo, sull'efficienza e sulla qualità della deposizione19,20. Particelle proteiche di diametro compreso tra 1 e 10 μm sono state prodotte per aerosol e somministrazione di farmaci utilizzando SAW ad alta frequenza con gli stessi difetti menzionati sopra. Inoltre, nella maggior parte del lavoro sugli atomizzatori SAW, vengono utilizzate solo proteine ​​altamente conduttive a bassa densità a causa della loro facilità di atomizzazione e deposizione. Nel 2011 sono stati utilizzati carta da filtro e un serbatoio a siringa per una fornitura continua di inchiostro, sfruttando l'“effetto autopompante” di SAW per l'atomizzazione continua dei liquidi21. Sfortunatamente, questo metodo è utile solo per liquidi a basso peso molecolare e quindi limita notevolmente la scelta dell'inchiostro per la fabbricazione del dispositivo. Nello stesso anno, è stato effettuato un tentativo di deposizione di film sottili e motivi di inchiostro conduttivo utilizzando SAW-EHDA fornendo un flusso continuo di inchiostro attraverso una pompa a siringa, ma le caratteristiche del film erano molto scadenti22. Si potrebbe quindi supporre che abbiamo bisogno di un ibrido SAW-EHDA quando l'EHDA lavora anche sull'atomizzazione elettrica del fluido e può produrre film sottili molto uniformi. SAW-EHDA è un forte candidato per la fabbricazione di film sottile rispetto a EHDA perché l'atomizzazione è molto uniforme e la dimensione delle particelle ottenuta tramite gli atomizzatori SAW è molto piccola (sub-micron) rispetto ai sistemi EHDA (pochi micron). Man mano che la dimensione delle particelle diminuisce, si riduce anche lo spessore minimo del film ottenibile, mentre il film sarà più uniforme e non poroso con migliori proprietà elettriche e meccaniche.