最新研究：油墨中的稳定剂残留物会抑制3D打印电子产品的导电性

摘要：众所周知，含有金属纳米粒子的油墨是打印电子产品最常用的导电材料之一。MNP材料的喷墨层可以实现前所未有的设计灵活性、快速加工和3D打印功能电子设备......

aau讯（编辑 吴昕烜）众所周知，含有金属纳米粒子的油墨是打印电子产品最常用的导电材料之一。MNP材料的喷墨层可以实现前所未有的设计灵活性、快速加工和3D打印功能电子设备，如传感器、太阳能电池板、LED显示屏、晶体管和智能纺织品。

据了解，金属喷墨3D打印通常通过两个步骤形成一个固体打印对象：打印时的溶剂挥发（固定）和随后的低温纳米颗粒固化(烧结)。低温是很重要的，因为在许多应用中，纳米颗粒与对高温敏感的其他有机材料共同打印。

（左）通过原位溶剂蒸发（钉扎）对包含金属纳米颗粒的油墨进行数字喷墨印刷。（右）银纳米颗粒印刷层的光学和化学图像，显示表面有有机残留物。

然而，喷墨打印产生的金属纳米粒子层在水平和垂直方向上具有不同的导电性，这种效应被称为功能各向异性，是3D打印功能性电子器件的一个长期存在的问题，阻碍了其在高级应用中的使用。

人们先前认为，通过打印装置降低垂直导电性主要是由于组成纳米颗粒界面(非常小的微米和纳米级）的形状和物理连续性问题引起的。但是，诺丁汉大学的研究人员首次使用银纳米颗粒来表明它是由油墨中的有机化学残留物引起的。

据悉，这些残留物被添加到油墨中以帮助稳定纳米材料，导致形成低导电性、非常薄的纳米层，这些层会在垂直方向上干扰打印样品的电导率。

随着对打印层中残留有机添加剂的分布有了更清晰的了解，研究人员希望继续定义新技术并开发新的油墨配方，以克服基于喷墨的3D打印电子产品的功能各向异性。

CfAM研究员Gustavo Trindade博士表示：“已知喷墨打印的金属纳米颗粒的导电性依赖于加工温度，之前已经将其归因于纳米颗粒聚集的形状和孔隙度的变化，而有机残留物的作用只是猜测。这一新见解使人们能够开发克服基于喷墨的纳米颗粒中功能各向异性的方法，因此将提高对这一潜在转化技术的吸收，使其与传统制造技术竞争。我们的方法可转移到其他基于纳米材料的油墨中，包括石墨烯和功能化的纳米晶体，以此开发2D和3D打印电子产品，例如柔性和可穿戴传感器、太阳能电池板、LED显示器、晶体管和智能纺织品。”

该研究是由美国增材制造中心(CfAM)在epsrc资助的585万英镑的补助计划金下进行的。他们的研究结果发表在《自然》杂志《通讯材料》上，论文标题为《残余聚合物稳定剂在金属纳米颗粒的喷墨打印过程中引起各向异性的电导性》。

研究人员使用了诺丁汉大学最先进的3D orbiSIMS仪器的独特化学敏感性。诺丁汉orbiSIMS是英国大学中唯一一个允许对材料进行高分辨率的无标签3D化学成像，从而揭示了为这项研究提供信息的见解。

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