以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
印刷电子技术是利用功能油墨和先进的印刷技术在各种基底上制造电子元件和电路的一种技术。近年来，由于其可以大规模、高速、低成本地制造电子设备，并且在柔性和可穿戴设备方面具有巨大潜力，因此引起了学术界广泛的关注。为了实现多功能、实用和商业化应用，人们对各种印刷技术进行了不断的研究，以实现更智能的图案设计、更高的分辨率、更大的生产灵活性和新型油墨配方以实现多功能和高质量。而二维材料具有原子级薄度、独特的性质和出色的溶液可加工性，因此具有高质量油墨的巨大潜力。此外，从金属、半导体到绝缘体的大量二维材料提供了构建各种印刷电子设备的多样性。
鉴于此，近日来自深圳大学的廖武刚和Tingke Rao领导的研究团队在Small Methods上以Printed Electronics Based on 2D Material Inks: Preparation, Properties, and Applications toward Memristors为题发表综述文章，详细综述了2D材料油墨配方及其印刷应用的进展，特别强调新兴的印刷忆阻器，讨论了该领域面临的挑战以及2D材料油墨和印刷电子的前景。
图1面向忆阻器应用的二维材料油墨技术概述。
图源：Small Methods 7, 2201156 (2023).
自2004年石墨烯的发现以来，由于其超薄的特性和优异的性能，二维（2D）材料引起了极大的关注。石墨烯、MXenes、过渡金属二硫化物（TMDs）、黑磷（BP）、碲（Te）和六方硼氮（h-BN）是典型的2D材料，表现出迷人和优秀的机械、电学和光学性能，使它们能够展现出卓越的性能。此外，2D材料可以保持极薄的原子层厚度，同时具有大的表面积，这极大地促进了超级电容器的应用。这些材料可以在液相中获得高质量的功能油墨，可以很好地适应各种沉积技术，如旋涂、喷涂、丝网印刷、3D打印和喷墨印刷。
由于它们的层状性质和良好的溶液加工性，2D材料可以很好地分散在溶剂中制备油墨，这对于大规模生产非常有吸引力。通过调整添加到2D材料悬浮液中的添加剂，可以进一步利用油墨的物理性质，如稳定性、粘度和表面能。液相剥离（LPE）技术作为一种简单有效的方法，在油墨配方中得到广泛应用。基于LPE的油墨制备方法的发展促进了2D材料油墨的进展。近年来，随着印刷技术的进步，基于2D材料油墨的印刷电子产品取得了巨大的进展和努力。
作为一种新兴器件，记忆电阻器（memristors）由于在实现存储计算和打破“冯·诺依曼瓶颈”方面的巨大潜力而受到了广泛的关注。记忆电阻器的新型电阻开关特性使它们成为下一代集成信息存储和计算的有力候选者。印刷式记忆电阻器是指通过印刷技术制造的记忆电阻器，在柔性可穿戴设备、基板和大规模生产中具有巨大的应用潜力。
由于印刷技术和二维材料的上述优势，2D材料墨水及其相关应用在印刷电子方面引起了广泛关注。虽然有几篇关于溶液处理的2D材料的综述文章，但更专注于快速发展的2D材料墨水、不断创新的印刷技术和新兴印刷存储器的综述非常有必要。
这篇文章集中介绍了2D材料墨水及其在印刷存储器和印刷技术中的最新进展，展示了2D材料墨水在存储器中的应用以及印刷技术，介绍了2D材料的独特性和印刷技术的优势。文章不仅总结了常用的印刷技术以及2D墨水制备的最新进展以及2D墨水的制备、性质和常规应用，而且通过不同的印刷技术深入探讨了2D墨水在存储器方面的应用，并讨论了印刷技术和2D材料墨水的挑战和前景。
图2大规模 IC 的 CMOS 工艺步骤以及用于增材制造的基本印刷工艺。
图源：Small Methods 7, 2201156 (2023).
二维忆阻器是一种基于二维材料的电子元件，具有非常高的电阻变化率和忆阻效应。它们由一个非线性电阻元件和一个电容元件组成，能够通过调整电压来控制电阻的大小。二维忆阻器被广泛应用于人工智能、物联网、柔性电子、能源存储等领域，具有广阔的应用前景。同时，由于其制备工艺简单、低成本等特点，也成为了新一代电子器件研究的热点之一。
目前，高级电子设备和集成电路（IC）通常使用包括光刻、蚀刻等CMOS技术制造。然而，光刻过程复杂，成本高昂。印刷工艺的简单性和低成本使其成为一种非常有前途的制造工艺。印刷被认为是一种增材制造过程，而CMOS技术是一种减材过程。
到目前为止，印刷技术已经被应用于各种印刷电子设备中。许多平面印刷技术，如丝网印刷、凹版印刷、凸版印刷、柔性版印刷等，被广泛使用，最近也出现了一些新兴的印刷技术，包括喷墨印刷、气溶胶喷墨印刷、电流体力学（EHD）印刷、3D印刷、4D印刷等。
多种印刷技术各有优缺点，包括常用的旋涂、丝网印刷、新兴的喷墨印刷、气溶胶喷射印刷、3D打印等。旋涂是一种简单的印刷技术，可实现薄膜的快速生产。 然而，旋涂不允许层的图案化。 为了与印刷技术相匹配，需要具有不同性能的油墨，例如油墨粘度、浓度、表面张力和二维材料粒径。 如表1所示，3D打印和丝网印刷对墨水粘度要求相对较高，而喷墨打印和气溶胶喷射打印要求粘度低，对墨水中的粒径有严格要求。
喷墨打印技术要求颗粒尺寸小于喷嘴直径的 1/50。 在沉积厚度方面，通过3D打印可以获得比较厚的薄膜。喷墨和气溶胶喷射打印通常可以获得更高的分辨率，但吞吐量较低。 丝网印刷虽然印刷分辨率稍低，但适应的油墨种类较多，普遍用于各种印刷设备。 功能性油墨与相应印刷技术的完美结合，将为印刷电子行业带来诱人且可观的利润。 因此，印刷技术和油墨配方的同步发展对印刷电子的进步至关重要。
尽管调节墨水性能很复杂，但由于印刷技术的以下优势，印刷电子产品的研究仍呈现上升势头。 首先，印刷技术是一种纯增材制造技术，可以在没有掩模的情况下对产品进行图案化。 其次，印刷电子产品浪费的材料更少。 因此，印刷电子产品更便宜，更适合大规模制造。 第三，打印技术一般在室温环境下运行。 因此，印刷技术可以避免许多柔性基板不耐高温的限制，使其适用于柔性电子和可穿戴设备。第四，印刷技术实现了10 µm的线宽分辨率和线高分辨率为 10 nm。虽然印刷分辨率比较低，但适用于许多精度要求较低的电子产品的制造。
印刷电子与传统电子是两种优势互补、弱点互补的技术，如图3所示。考虑到印刷分辨率，印刷电子目前无法替代传统电子制备工艺，因此印刷电子目前无法实现高密度集成电路。 此外，由于墨水的不稳定性，印刷电子设备的质量均匀性和稳定性比传统电子设备差。 然而，印刷技术对电子制造的强大吸引力源于以更简单、更便宜的方式制造微结构层的可能性。 因此，印刷技术在新兴的电子制造工艺领域确实是一种很有前途的制造工艺。
图3印刷和传统电子具有互补的技术优势。
图源：Small Methods 7, 2201156 (2023).
新型二维材料油墨和先进的印刷技术为印刷电子产品实现大规模、高速和具有成本效益的制造提供了新的机会。 在这篇综述中，作者介绍了二维材料墨水配方、二维墨水的特性和调制以及使用二维材料墨水制造的新兴印刷忆阻器的最新调查。 具有改进印刷技术的多样化和功能性二维油墨可实现印刷电子产品的精确纳米图案化和批量生产，与传统 CMOS 技术形成互补。
在过去几年中，二维材料油墨和印刷电子应用领域取得了重大进展。 然而，在科学研究和实际应用中还存在一些挑战。 二维材料墨水的主要挑战之一是制备具有所需粘度和浓度的合适墨水，以满足不同印刷技术的流变学要求和电性能要求。 另一个关键挑战是通过避免二维材料溶液分散的重新堆叠来提高墨水的稳定性。 对于逻辑和存储设备，耐用性是实际应用的必要前提。 它需要可能的表面功能化和缺陷工程来延长二维材料的寿命，这是另一个挑战。 此外，助剂对油墨性能的调节也起着重要作用。 但印刷后如何有效去除这些添加剂也是一个难点，尤其是对于一些耐热性较低的承印物。 开发高效的无添加剂印刷技术为克服这一棘手问题提供了另一种方法。
对于二维材料油墨上的印刷忆阻器，实现高密度集成、大规模制造和具有成本效益的商业化生产非常需要，这依赖于功能性二维材料油墨和先进的印刷技术。 为电极和有源层开发高质量和稳定的油墨以实现所需的具有高开/关比、快速切换速度、低工作电压和增强的存储稳定性的忆阻器一直是当务之急。 一方面，基于二维材料油墨的印刷忆阻器的高度集成化生产和灵活应用仍然是另一大挑战。 另一方面，如何增强印刷忆阻器的可靠性也是需要解决的关键问题。 进一步提高印刷技术的构图精度和效率，有助于加快基于二维材料油墨的印刷忆阻器的应用。 它将提高印刷忆阻器的市场竞争力，以增强与最先进工艺的兼容性。 尽管相当具有挑战性，但开发全印刷忆阻器将极大地促进其在柔性和可穿戴系统中的应用。
尽管存在所有这些挑战，但文章认为，未来随着二维材料打印技术的逐渐成熟与完善，具有优异性能和多样化功能的新型二维材料墨水为可印刷忆阻器和其他印刷电子产品提供了前所未有的机会。
参考文献：
Xiaopei Chen, Xiongfeng Wang, Yudong Pang, Guocheng Bao, Jie Jiang, Peng Yang, Yuankang Chen, Tingke Rao, Wugang Liao. Printed Electronics Based on 2D Material Inks: Preparation, Properties, and Applications toward Memristors. Small Methods 7, 2201156 (2023).
https://doi.org/10.1002/smtd.202201156
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