Piëzo-elektrische films nu ultradun te 3D-printen

Geplaatst op 04 september 2019 om 15:13 uur
Piëzo-elektrische films nu ultradun te 3D-printen
MIT-onderzoekers hebben een eenvoudige, goedkope methode ontwikkeld om ultradunne films te 3D-printen met hoogwaardige piëzo-elektrische eigenschappen. Ze kunnen worden gebruikt voor componenten in flexibele elektronica of zeer gevoelige biosensoren.

Onderzoekers zoeken al jaren naar dit soort films die kunnen dienen om energie te oogsten, als gevoelige druksensoren voor touch screens en voor andere componenten in flexibele elektronica. Ze zijn ook geschikt voor biosensoren, die gevoelig genoeg moeten zijn om de aanwezigheid van moleculen te detecteren.


Men gebruikt hiervoor vaak keramiek met een kristalstructuur die door zijn extreme dunheid resoneert bij hoge frequenties. (Hogere frequenties vertalen zich in principe naar hogere snelheden en hogere gevoeligheid.) Maar met traditionele fabricagetechnieken is het creëren van dergelijke films complex en duur.

 

In de paper die onlangs is gepubliceerd in Applied Materials and Interfaces, beschrijven de MIT-onderzoekers een manier om 3D-transducers van ongeveer 100 nanometer dik te 3D-printen. Ze hebben hiertoe een 3D-printtechniek aangepast die objecten laag voor laag opbouwt bij kamertemperatuur. De films kunnen zonder prestatieverlies worden afgedrukt op flexibele substraten en resoneren bij ongeveer 5 gigahertz, wat hoog genoeg is voor hoogwaardige biosensoren.


Ze gebruikten de 3D-printtechniek near-field electrohydrodynamic deposition (NFEHD), die een sterk elektrisch veld gebruikt om een vloeistofstraal door een mondstuk te spuiten om een ultradunne film af te drukken. Het is voor het eerst dat deze techniek wordt gebruikt voor films met piëzo-elektrische eigenschappen.


De vloeibare grondstof bevat nanodeeltjes van zinkoxide gemengd met enkele inerte oplosmiddelen, die een piëzo-elektrisch materiaal vormen wanneer ze op een substraat worden afgedrukt en gedroogd. De grondstof wordt middels een holle naald in de 3D-printer gevoerd. Tijdens het printen, passen de onderzoekers een specifieke voorspanning toe op de punt van de naald en regelen ze de stroomsnelheid, waardoor de meniscus - de curve gezien aan de bovenkant van een vloeistof - een kegelvorm vormt die voor een fijne straal zorgt.


Deze straal is van nature geneigd om in druppels op te breken. Maar als de punt van de naald dicht bij het substraat wordt gebracht - ongeveer en millimeter - breekt de straal niet, maar print hij lange, smalle lijnen op het substraat. De onderzoekers zorgen vervolgens dat de lijnen overlappen en drogen ze op ongeveer 76 graden Fahrenheit, ondersteboven hangend.


Het proces werkt alleen als het exact op deze manier wordt uitgevoerd. Maar dan leidt het ook tot veel betere resultaten dan de bulk-films die tot nu toe worden gemaakt.

 
© Engineersonline.nl