Padronização a laser de cobre em um substrato flexível usando um custo

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21149 (2022) Citar este artigo

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Estudamos a padronização de laser direto de cobre (Cu) de baixo custo em substratos finos de poliimida (espessura de PI: 12,5–50 µm) usando um módulo de laser de 405 nm conectado a uma impressora 3D de baixo custo. A distância focal do laser foi controlada intencionalmente para reduzir defeitos em Cu padronizado e danos superficiais de PI sob condições de processo predeterminadas. A distância focal apropriada foi examinada em várias distâncias focais. Distâncias focais de - 2,4 mm e 3 mm foram encontradas para a distância focal mais curta (SFL) e distância focal mais longa (LFL), respectivamente, em comparação com a distância focal real. Isso resultou em padrões de linha Cu limpos, sem defeitos de linha. Curiosamente, o caso SFL tinha um padrão de crescimento de Cu diferente do LFL, indicando que a pequena diferença no ângulo de incidência do laser poderia afetar a sinterização do precursor de Cu. Os padrões quadrados de Cu tiveram uma resistividade mais baixa de 70 μΩ·cm para um LFL após três ou quatro varreduras a laser, enquanto o SFL mostrou uma resistividade abaixo de 48 μΩ·cm para uma varredura a laser única. Os resíduos do precursor Cu no PI foram facilmente removidos com água corrente e surfactantes normais. No entanto, a resistividade dos padrões diminuiu após a limpeza. Entre as lacunas de varredura, o padrão quadrado de Cu formado em uma lacuna de varredura de 70 μm apresentou a menor resistência da folha e a menor alteração na resistência de cerca de 4 a 4,4 Ω/ϒ após a limpeza. Este resultado implica que a adesão do Cu padronizado poderia ser melhorada se o precursor de Cu revestido fosse bem sinterizado nas condições de processo adequadas. Para a aplicação deste método à bioeletrônica, incluindo biossensores, os LEDs foram conectados aos padrões de Cu no PI fixados na pele do braço e funcionaram bem, mesmo quando o substrato PI foi dobrado durante a conexão de energia.

Dispositivos pequenos e portáteis em substratos sensíveis e flexíveis requerem processos de padronização direta em vez de processos litográficos que requerem deposição a vácuo, fotorresistentes e corrosão química tóxica1,2,3,4,5,6,7. Assim, os processos de padronização direta têm sido pesquisados ​​extensivamente usando tintas de nanopartículas metálicas, como prata (Ag) e ouro (Au)8,9,10. Em vez de metais nobres caros, os compósitos à base de cobre (Cu) chamam a atenção devido às suas excelentes propriedades térmicas e elétricas e custo-benefício11,12,13. No entanto, devido à sua baixa energia potencial de oxidação (0,34 V) em comparação com os metais nobres (Au, 1,52 V; Ag, 0,799 V), eles têm a desvantagem de fácil oxidação ao ar11. Portanto, a sinterização térmica não pode ser usada para reduzir o precursor de Cu em um ambiente ambiente. Recentemente, inúmeras tentativas foram relatadas como um método alternativo de sinterização térmica. Uma técnica eficaz é proteger e estabilizar Cu-NP aplicando um revestimento protetor14,15 ou usando um metal nobre fino em uma estrutura núcleo-casca16,17. O precursor de Cu também pode ser sinterizado usando lâmpadas flash de alta potência, que podem ser facilmente integradas em linhas de produção massivas18,19,20,21. Como esse método pode aquecer o precursor de Cu a uma alta temperatura para sinterização completa em alguns milissegundos, o que pode minimizar a oxidação de Cu sob o ar e impactar substratos à base de polímeros, essa sinterização fotônica é uma opção atraente para eletrônicos impressos de grande área. No entanto, as lâmpadas de flash emitem luz forte e de amplo espectro, o que pode causar deformação parcial de substratos à base de polímeros. No entanto, diminuir a intensidade do flash para mitigar esse risco reduzirá a qualidade do sínter. Além disso, este método não é um método de padronização direta e um processo de padronização adicional é necessário antes e depois da sinterização do Cu.

Outra técnica promissora é a sinterização direta a laser22,23,24,25,26,27. Durante o foco, a energia do feixe focalizado é absorvida pelo precursor e induz um processo de aquecimento transiente localizado que resulta em sinterização rápida. Consequentemente, padrões de metal que podem ser limitados em resolução pelo sistema óptico e precursores de metal podem ser alcançados. A varredura rápida pode fornecer padrões de metal de alta resolução com alguns micrômetros de largura. Além disso, em condições ambientais, a oxidação do Cu é evitada se o tempo de sinterização for curto o suficiente. A tinta não sinterizada é facilmente removida por lavagem, o que completa o processo de padronização. No entanto, esse processo pode danificar substratos à base de polímeros devido ao uso de um laser focado com alta densidade de energia.