喷墨打印金微柱上生长的无机纳米线用于柔性电子

研究背景

在过去的十年里，柔性和印刷电子技术因其有趣的应用而吸引了大量的关注，如可滚动的显示器、用于医疗保健的可穿戴系统、智能识别标签、机器人的电子皮肤、假肢和可植入系统、将目前电子器件的平面集成转变为三维或平面外配置，可以为这一激动人心的领域的发展创造有吸引力的新机会，使其进入不同的应用范围，如药物输送、组织工程、表面工程光电子学、能量转换和储存等。例如，半球形硅纳米棒光电二极管阵列已被用于提取三维空间中的光的角度信息，使成像系统具有宽视场、小型化设计和深景深。平面结构的额外属性赋予了柔性电子系统更强的感应，大的可伸展性和高的设备集成密度。由于这些特点，平面外结构，如微/纳米柱，纳米线 (NWs)，支架等，已经引起了人们的注意，吸引了人们的注意。

研究成果

柔性基底上的平面外或三维电子器件是一个有趣的方向，可以实现高效生物发电和人工视网膜等新的解决方案。然而，由于缺乏合适的制造技术，具有这种结构的设备的开发受到限制。在此，美国东北大学Ravinder Dahiya教授团队报告了优化按需(DoD)高分辨率的基于电液动力(EHD)的喷射打印方法以生成三维金(Au)微柱。打印的金微柱电极阵列(MEAs)库的最大高度为 196 微米，最大长宽比为 52。此外通过结合AM 和水热生长方法，证明了在打印的Au MEAs 上无籽合成氧化锌(ZnO)纳米线(NWs)。通过制造灵活的光电探测器(PDS)，开发的混合方法导致了层次分明的光敏 NW连接网络，表现出良好的紫外线 (UV) 感应。三维 PDs 表现出优秀的全向光吸收能力，因此，在宽入射角 (90°) 范围内保持高光电流。最后，PDs在40 毫米的凸弯曲下进行了测试，显示出良好的机械灵活性。相关研究以“Out-of-Plane Electronics on Flexible Substrates Using Inorganic Nanowires Grown on High-Aspect-Ratio Printed Gold Micropillars”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. a) The EHD micropillar printing schematic. b) Change of pillar diameter as a function of the applied voltage. c) Change of pillar height as a function of the number of droplets. d–f) SEM images of linear array of high-aspect-ratio micropillars (d), a tilted pillar (e); and an arch-shaped pillar (f).

Figure 2. a–c) Time-domain photoresponse of fabricated out of plane PDs at 1 V bias under increased illumination intensities from 0.5 to 2.5 μW cm−2with a step of 0.5 μW cm−2 and different pillar pitches: a) 10 μm pillar pitch; b) 15 μm pillar pitch; c) 20 μm pillar pitch; d,e) Extracted parameters:d) responsivity and detectivity; e) extracted EQE and Iphoto/Idark. f) Schematic of as-fabricated PD and energy band diagram under dark and UV conditions showing the sensing mechanism.

Figure 3. a) Schematic and SEM image of printed micropillars and contact electrodes. b) Schematic and SEM images of fabricated out-of-plane PDs after growing ZnO NWs on printed micropillars. c) SEM images of top and tilted side views of printed pillars and contact electrodes. d–f) Device characterization including time-domain photoresponse (d), and extracted values of responsivity and detectivity (e), and Ilight/Idark and EQE (f) under different light illumination from 0.1 to 2.5 μW cm−2.

Figure 4. Responsivity comparison between this work and other 3D configuration and 2D-printed PDs reported in literature.

Figure 5. Wide-angle sensing measurements. a) Schematic of the wide-angle sensing measurement, showing the light source set at an angle along the x- and y-axes. b,c) Normalized responsivity extracted from angular response: b) along the x-axis; c) along the y-axis.

Figure 6. Photoresponse under 40 mm concave and convex bending conditions.

总结与展望

作者建立了一个强大的3D 打印方法，用于在柔性基底上构建高纵横比的金基微柱电极阵列(MEAs)，并通过采用无籽水热合成法将其用于生长平面外的NW 网络。所开发的方法可用于获得不同形状、不同间距的多长度尺度的面外结构。所提出的印刷方法是通用的，可用于异质集成的高分辨率互连或平面外 NW 网络涂层以捕获或浸泡光线等应用。三维分层功能结构有望增强光散射事件，从而导致更高的入射全向光的捕获 (以增强光通量)。因此，该方法可用于提高太阳能电池和人工光合作用过程的能量收集效率。为了证明这一点，制造的分层结构被用来制造三维柔性紫外光探测器(PDs)。在宽入射角(90°)范围内测试了所制造的三维 PDs的感应性能。提取了入射角与正常入射角的光电流比率，并显示了良好的全向光吸收能力。此外，3D PDs 在凸弯曲的条件下进行了测试，显示出良好的机械灵活性，性能变化可以忽略不计。该研究表明，基于 EHD的高分辨率喷射打印技术在三维导电和功能结构制造方面具有潜力，并为高性能柔性电子器件开辟了新方向。

文献链接

Out-of-Plane Electronics on Flexible Substrates Using Inorganic Nanowires Grown on High-Aspect-Ratio Printed Gold Micropillars

https://doi.org/10.1002/adma.202210711

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