Snabbare produktion av avancerade, flexibel elektronik är en av de potentiella fördelarna med en upptäckt av forskare vid Oregon State Universitys College of Engineering.

Att ta en djupare titt på fotonisk sintring av silver nanopartikelfilmer – användningen av intensivt pulsat ljus, eller IPL, att snabbt smälta samman funktionella ledande nanopartiklar – forskare upptäckte ett samband mellan filmtemperatur och förtätning. Förtätning i IPL ökar densiteten hos en nanopartikel tunnfilm eller mönster, med större densitet vilket leder till funktionsförbättringar såsom högre elektrisk ledningsförmåga.

Ingenjörerna hittade en temperaturvändpunkt i IPL trots ingen förändring i pulserande energi, och upptäckte att denna vändpunkt uppstår eftersom förtätning under IPL minskar nanopartiklarnas förmåga att absorbera ytterligare energi från ljuset.

Denna tidigare okända interaktion mellan optisk absorption och förtätning skapar en ny förståelse för varför förtätning planar ut efter temperaturvändpunkten i IPL, och möjliggör vidare stora områden, höghastighets-IPL för att realisera sin fulla potential som en skalbar och effektiv tillverkningsprocess.

Rajiv Malhotra, biträdande professor i maskinteknik vid OSU, och doktoranden Shalu Bansal genomförde forskningen. Resultaten publicerades nyligen i Nanoteknik .

"För vissa applikationer vill vi ha maximal densitet som möjligt, " Sa Malhotra. "För vissa gör vi inte det. Således, det blir viktigt att kontrollera förtätningen av materialet. Eftersom förtätning i IPL beror avsevärt på temperaturen, det är viktigt att förstå och kontrollera temperaturutvecklingen under processen. Denna forskning kan leda till mycket bättre processkontroll och utrustningsdesign i IPL."

Intensiv pulsad ljussintring möjliggör snabbare förtätning – på några sekunder – över större ytor jämfört med konventionella sintringsprocesser som ugnsbaserade och laserbaserade. IPL kan potentiellt användas för att sintra nanopartiklar för tillämpningar inom tryckt elektronik, solceller, gasavkänning och fotokatalys.

Tidigare forskning har visat att förtätning av nanopartiklar börjar över en kritisk optisk fluens per puls men att den inte förändras nämnvärt utöver ett visst antal pulser.

Denna OSU-studie förklarar varför, för ett konstant inflytande, det finns ett kritiskt antal pulser bortom vilka förtätningen planar ut.

"Utjämningen av densitet sker trots att det inte har skett någon förändring i den optiska energin och även om förtätningen inte är fullständig, " Sa Malhotra. "Det uppstår på grund av temperaturhistoriken för nanopartikelfilmen, dvs temperaturvändpunkten. Kombinationen av fluens och pulser måste övervägas noggrant för att säkerställa att du får den filmdensitet du vill ha."

Ett mindre antal högfluenspulser ger snabbt hög densitet. För större densitetskontroll, ett större antal lågfluenspulser krävs.

"Vi sintrade på cirka 20 sekunder med en maximal temperatur på cirka 250 grader Celsius i det här arbetet, " Malhotra. "Mer nyare arbete vi har gjort kan sintra inom mindre än två sekunder och vid mycket lägre temperaturer, ner till cirka 120 grader Celsius. Lägre temperatur är avgörande för flexibel elektroniktillverkning. För att sänka kostnaderna, vi vill skriva ut denna flexibla elektronik på underlag som papper och plast, som skulle brinna eller smälta vid högre temperaturer. Genom att använda IPL, vi ska kunna skapa produktionsprocesser som är både snabbare och billigare, utan förlust av produktkvalitet."

Produkter som kan utvecklas från forskningen, Malhotra sa, är radiofrekvensidentifieringsetiketter, ett brett utbud av flexibel elektronik, bärbara biomedicinska sensorer, och avkänningsanordningar för miljötillämpningar.