Une nouvelle technique permet d'imprimer des circuits en couches minces d'oxyde métallique à température ambiante
Des chercheurs ont mis au point une technique d'impression de films minces d'oxyde métallique à température ambiante et l'ont utilisée pour créer des circuits transparents et flexibles qui sont à la fois robustes et capables de fonctionner à des températures élevées.
Des chercheurs ont mis au point une technique d'impression de films minces d'oxyde métallique à température ambiante et ont démontré cette technique en imprimant des oxydes métalliques sur un polymère, créant ainsi des circuits très flexibles.
Minsik Kong
"La création d'oxydes métalliques utiles à l'électronique nécessite traditionnellement l'utilisation d'équipements spécialisés, lents, coûteux et fonctionnant à des températures élevées", explique Michael Dickey, co-auteur d'un article sur ces travaux et titulaire de la chaire Camille et Henry Dreyfus d'ingénierie chimique et biomoléculaire à l'université d'État de Caroline du Nord. "Nous voulions mettre au point une technique permettant de créer et de déposer des couches minces d'oxyde métallique à température ambiante, c'est-à-dire d'imprimer des circuits d'oxyde métallique.
Les oxydes métalliques sont un matériau important que l'on retrouve dans presque tous les appareils électroniques. La plupart des oxydes métalliques sont électriquement isolants (comme le verre). Mais certains oxydes métalliques sont à la fois conducteurs et transparents, et ces oxydes sont d'une importance cruciale pour l'écran tactile de votre téléphone intelligent ou le moniteur de votre ordinateur.
"En principe, les films d'oxyde métallique devraient être faciles à fabriquer", explique M. Dickey. "Après tout, ils se forment naturellement à la surface de presque tous les objets métalliques de nos maisons : canettes de soda, casseroles en acier inoxydable et fourchettes. Bien que ces oxydes soient omniprésents, leur utilité est limitée car ils ne peuvent pas être retirés des métaux sur lesquels ils se forment."
Pour ce travail, les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode pour séparer l'oxyde métallique d'un ménisque de métal liquide. Si vous remplissez un tube de liquide, le ménisque est la surface incurvée du liquide qui s'étend au-delà de l'extrémité du tube. Cette courbure est due à la tension superficielle qui empêche le liquide de se déverser complètement. Dans le cas des métaux liquides, la surface du ménisque est recouverte d'une fine peau d'oxyde métallique qui se forme là où le métal liquide rencontre l'air.
"Nous remplissons l'espace entre deux lames de verre avec du métal liquide de manière à ce qu'un petit ménisque s'étende au-delà des extrémités des lames", explique M. Dickey. "Considérons les lames comme l'imprimante, et le métal liquide comme l'encre. Le ménisque de métal liquide peut alors être mis en contact avec une surface. Le ménisque est recouvert d'oxyde de tous les côtés, un peu comme le caoutchouc fin qui enveloppe un ballon d'eau. Lorsque nous déplaçons le ménisque sur la surface, l'oxyde métallique à l'avant et à l'arrière du ménisque adhère à la surface et se détache, comme la trace laissée par un escargot. Ce faisant, le liquide exposé sur le ménisque forme constamment de l'oxyde frais pour permettre une impression continue".
Le résultat est que l'imprimante dépose une fine couche d'oxyde métallique d'environ 4 nm d'épaisseur.
"Il est important de noter que même si nous utilisons un liquide, le film d'oxyde métallique déposé sur le substrat est solide et incroyablement fin", explique M. Dickey. "Le film adhère au substrat - ce n'est pas quelque chose que l'on peut salir ou étaler. C'est important pour l'impression de circuits".
Les chercheurs ont démontré cette technique avec plusieurs métaux liquides et alliages métalliques, chaque métal modifiant la composition du film d'oxyde métallique. Les chercheurs ont également pu déposer une pile de films minces en couches en effectuant plusieurs passages avec l'imprimante.
"L'une des choses qui nous a surpris, c'est que les films imprimés sont transparents, mais qu'ils ont des propriétés métalliques", explique M. Dickey. "Ils sont très conducteurs.
"Comme les films ont un caractère métallique, l'or se lie à l'oxyde imprimé, ce qui est inhabituel : normalement, l'or n'adhère pas aux oxydes", explique Unyong Jeong, co-auteur correspondant d'un article sur ces travaux et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH). "Lorsque l'on introduit une petite quantité d'or dans ces films minces, l'or est essentiellement incorporé dans le film. Cela permet d'éviter que les propriétés conductrices de l'oxyde ne se dégradent avec le temps".
"Nous pensons que si ces films sont si conducteurs, c'est parce que le centre du film mince à deux couches contient très peu d'oxygène, qu'il est plus métallique et moins oxydé", explique M. Jeong. "Sans la présence d'or, davantage d'oxygène se fraie un chemin vers le centre de la couche mince au fil du temps, ce qui fait que le film devient électriquement isolant. L'ajout d'or à la couche mince permet d'empêcher l'oxydation de la partie centrale de la couche. Le fait que cela fonctionne si bien est surprenant parce que nous utilisons si peu d'or - la couche mince d'oxyde est encore très transparente".
En outre, les chercheurs ont constaté que les films minces conservaient leurs propriétés conductrices à des températures élevées. Si la couche mince a une épaisseur de 4 nanomètres, elle conserve ses propriétés conductrices jusqu'à près de 600 degrés Celsius. Si la couche mince a une épaisseur de 12 nanomètres, elle conserve ses propriétés conductrices jusqu'à au moins 800 degrés Celsius.
Les chercheurs ont également démontré l'utilité de leur technique en imprimant des oxydes métalliques sur un polymère, créant ainsi des circuits très flexibles et suffisamment robustes pour conserver leur intégrité même après avoir été pliés 40 000 fois.
"Les films peuvent également être transférés sur d'autres surfaces, telles que des feuilles, pour créer de l'électronique dans des endroits non conventionnels", explique M. Dickey. "Nous préservons la propriété intellectuelle de cette technique et sommes prêts à travailler avec des partenaires industriels pour explorer les applications potentielles.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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