Um multi híbrido

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2513 (2023) Citar este artigo

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O desempenho elétrico limitado de dispositivos microeletrônicos causado pela baixa conectividade entre partículas e qualidade de impressão inferior ainda é o maior obstáculo a ser superado para a tecnologia de impressão a jato de aerossol (AJP). Apesar da incorporação de nanotubos de carbono (CNTs) e solventes especificados em tintas funcionais poder melhorar a conectividade entre partículas e a capacidade de impressão da tinta, respectivamente, ainda é um desafio considerar várias propriedades conflitantes no design da mistura simultaneamente. Esta pesquisa propõe um novo método híbrido de otimização multiobjetivo para determinar a composição funcional ideal da tinta para obter baixa resistividade elétrica e alta qualidade de linha impressa. Na abordagem proposta, tinta prata, tinta CNTs e etanol são misturados de acordo com o design da mistura, e dois modelos de superfície de resposta (ReSMs) são desenvolvidos com base na Análise de Variância. Em seguida, um método de função de desejabilidade é empregado para identificar uma janela de material operacional ideal 2D para equilibrar as respostas conflitantes. Em seguida, os objetivos conflitantes são otimizados de forma mais robusta no espaço de projeto de mistura 3D através da integração de um algoritmo genético de classificação não dominada III (NSGA-III) com os ReSMs desenvolvidos e a incerteza estatística correspondente. Experimentos são conduzidos para validar a eficácia da abordagem proposta, que estende a metodologia de projeto de materiais com multicomponentes e multipropriedades na tecnologia AJP.

A impressão a jato de aerossol (AJP) está emergindo como uma tecnologia de impressão tridimensional (3D) transformadora para fabricar dispositivos microeletrônicos flexíveis e de alta resolução1,2. Comparado com as técnicas de fabricação convencionais, como corrosão, fotolitografia e galvanoplastia3, o AJP pode reduzir significativamente o desperdício químico e simplificar o processo de fabricação4, ao mesmo tempo em que reduz os custos de fabricação5. Portanto, tem sido amplamente adotado em uma indústria de manufatura eletrônica para fabricar componentes microeletrônicos avançados6,7,8. No entanto, devido à relativamente alta resistividade da linha impressa do AJP, o desempenho elétrico dos dispositivos microeletrônicos produzidos pelo AJP é limitado, como a baixa sensibilidade/fator de calibre dos sensores resistivos impressos para medição de temperatura/deformação, o que restringirá a ampla aplicação da tecnologia AJP. Isso ocorre devido às lacunas e defeitos na estrutura de nanopartículas depositadas, como limites granulares e defeitos estruturais9. Consequentemente, a conectividade entre as nanopartículas metálicas é seriamente danificada e as linhas metálicas impressas apresentam resistividade elétrica relativamente alta em comparação com materiais metálicos a granel, prejudicando significativamente o desempenho elétrico dos eletrônicos impressos. Apesar de otimizar as condições de sinterização (temperatura e técnica) pode melhorar a morfologia da superfície das linhas impressas, alcançando uma resistividade inferior a 2 vezes a resistividade da prata a granel10,11, também é importante reduzir a resistividade das linhas impressas melhorando a conectividade na estrutura de nanopartículas antes do processo de pós-impressão. Além disso, como a baixa capacidade de impressão de uma tinta funcional tende a induzir interação aerodinâmica de não-equilíbrio dentro do cabeçote de impressão, as linhas condutoras serão impressas com características morfológicas inferiores12, o que degradará ainda mais o desempenho elétrico da eletrônica produzida13.

Devido à extrema relação de aspecto, os nanotubos de carbono (CNTs) demonstram vantagens como pontes para conectar os defeitos/limites granulares nas linhas condutoras impressas, o que aumentará a condutividade da eletrônica impressa, melhorando os contatos elétricos entre as partículas formadas e os coeficientes de expansão térmica entre padrões impressos e substratos14. Portanto, tem havido vários estudos sobre a incorporação de CNTs em tintas funcionais de nanopartículas para fornecer conectividade interpartícula superior e melhorar as propriedades elétricas de componentes eletrônicos impressos a jato de aerossol15. Além de melhorar as propriedades elétricas, a capacidade de condução sob demanda de filmes impressos pode ser alcançada com base no carregamento de CNTs personalizável e controlável16. No entanto, como a condutividade do CNT é relativamente menor do que a das tintas funcionais de nanopartículas metálicas, o desempenho dos CNTs como cargas que aumentam a condutividade depende da concentração relativa em comparação com o nível de percolação17. Portanto, mais estudos visando otimizar a composição relativa entre CNTs e tinta funcional de nanopartículas para aumento da condutividade são necessários. Por outro lado, como a linha depositada é o elemento fundamental dos componentes eletrônicos impressos a jato de aerossol18, vários métodos de aprendizado de máquina e abordagens empíricas foram adotados para otimizar a qualidade da linha impressa19,20,21, o que será benéfico para o desempenho elétrico obtido13. Apesar desses estudos ajudarem a promover a aplicação da técnica AJP de um certo aspecto, há uma necessidade de melhorar ainda mais o desempenho elétrico geral sob a dupla otimização da condutividade da linha impressa e da qualidade da impressão simultaneamente.