Impression jet d'encre à l'échelle nanométrique

Un nouveau type d'imprimante à jet d'encre a été développé, capable d'imprimer avec précision des points de divers matériaux de seulement 250 nanomètres de diamètre. L'imprimante à jet d'encre pourrait permettre de synthétiser rapidement des structures nanométriques complexes à partir de divers matériaux.

Nano-impression : Cette image montre une image d'une fleur imprimée à l'aide d'une nouvelle imprimante à jet d'encre électrohydrodynamique. Chaque point ne mesure que huit micromètres de diamètre et est composé de nanotubes de carbone à paroi unique.

L'objectif est de faire de la fabrication, dit John Rogers , professeur d'ingénierie à l'Université de l'Illinois, Urbana Champaign. Les nouvelles imprimantes peuvent utiliser une large gamme de matériaux pour fabriquer de nouveaux dispositifs, de l'électronique en plastique et des écrans flexibles aux cellules photovoltaïques et aux nouveaux capteurs biomédicaux, explique Rogers.

Les chercheurs ont démontré que les nouveaux jets d'encre peuvent imprimer des motifs très précis de polymères électriquement conducteurs et de nanotubes de carbone ; ils ont également montré que l'ADN peut être imprimé sans l'endommager. C'est difficile à faire avec les techniques traditionnelles de fabrication du silicium, explique Rogers.

Souvent, les nanomatériaux nécessaires à la fabrication d'appareils biomédicaux ultrapetits et d'électronique à base de polymères à l'échelle nanométrique sont en solution, ce qui signifie qu'ils ne se prêtent pas aux techniques de microfabrication traditionnelles. Pour cette raison, l'impression est une alternative intéressante, à la fois en termes de coût et de complexité, déclare Heiko Wolf de Laboratoires de recherche d'IBM Zurich ’ Nanoscale Structures and Devices Group, en Suisse.

Mais la structuration des structures à l'échelle nanométrique s'est jusqu'à présent avérée difficile. Les jets d'encre conventionnels sont limités à des résolutions d'environ 25 micromètres, explique Rogers.

Les jets d'encre traditionnels fonctionnent en poussant l'encre hors d'une buse pour former des gouttelettes, soit en chauffant l'encre, soit en appliquant une pression physique pour la forcer à sortir. Bien que cela fonctionne bien à l'échelle micrométrique, les problèmes de tension superficielle et d'écoulement des fluides commencent à devenir un obstacle lorsque les chercheurs essaient de réduire la taille. Plus la taille de la buse est petite, plus il est difficile de faire circuler le fluide à travers elle, explique Rogers. Ainsi, la force que vous devez appliquer augmente de manière disproportionnée.

Pour surmonter cela, Rogers et ses collègues utilisent une approche différente, appelée impression à jet d'encre électrohydrodynamique (ou e-jet). Nous tirons les fluides plutôt que de les pousser, dit-il.

Cela implique l'utilisation de champs électriques pour créer les gouttelettes et repose sur la présence d'une certaine quantité de particules chargées électriquement, ou d'ions, dans le fluide. Les forces capillaires tirent le fluide de son réservoir pour former une gouttelette semi-sphérique suspendue à son bord, comme une goutte d'eau sur un robinet.

En utilisant des électrodes pour créer un champ électrique entre la pointe de la buse et le substrat sur lequel on veut imprimer le matériau, il est possible de rendre la gouttelette conique, explique Rogers. Les ions s'accumulent à la surface du fluide, au sommet du cône, dit-il. Cette concentration d'ions permet à la pointe du cône de se détacher et de former une gouttelette qui ne représente qu'une fraction du volume du cône.

Vous pouvez générer des gouttelettes plus petites que le diamètre de la buse, explique Rogers. Vous ne faites que pincer des gouttelettes. Ce n'est qu'à l'extrémité du cône que les gouttelettes se forment.

En utilisant cette approche, Rogers et ses collègues ont montré qu'ils peuvent imprimer des lignes d'un matériau de 700 nanomètres de large ou des points individuels de seulement 250 nanomètres de diamètre.

En plus de la taille des gouttelettes, la précision spatiale est également améliorée, explique Rogers. Lui et son équipe ont découvert assez fortuitement que le champ utilisé pour créer la gouttelette aide également à guider la gouttelette chargée vers le substrat cible. C'était une sorte de bonus, dit Rogers.

Les imprimantes électrohydrodynamiques ont été utilisées dans le passé, dit Howard Taub , directeur associé de HP Labs, à Palo Alto, en Californie. La nouveauté ici est la haute résolution, dit-il.

Mais, dit Taub, ce que ces nouveaux e-jets compensent en résolution, ils manquent de vitesse. Les hautes tensions requises pour générer les champs peuvent être difficiles à pulser afin d'imprimer rapidement. Les imprimantes ordinaires peuvent éjecter des gouttelettes de l'ordre de 10 000 à 100 000 fois par seconde. Les e-jets de Rogers, quant à eux, fonctionnent à environ 1 000 fois par seconde.

Une solution consiste à utiliser des matrices de têtes à jet d'encre, explique Taub. Mais cela peut entraîner d'autres problèmes, dit-il : les gouttelettes vont interagir les unes avec les autres car elles sont chargées. Il faudrait donc les espacer.

Rogers dit que son groupe travaille sur la question de la vitesse. Lui et ses collègues ont déjà montré que les buses peuvent être placées aussi près que 250 micromètres sans que les gouttelettes n'interagissent. Ils travaillent maintenant avec plusieurs fabricants pour commercialiser la technologie.

cacher