Onde acoustique de surface hybride

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15178 (2015) Citer cet article

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La technologie conventionnelle des ondes acoustiques de surface et du dépôt électrostatique (SAW-ED) a du mal à rivaliser avec d'autres technologies de fabrication de couches minces en raison de ses limites dans l'atomisation de solutions à haute densité ou de solutions avec une forte liaison interparticulaire qui nécessite une très haute fréquence (100 MHz) et pouvoir. Dans cette étude, un système hybride d'onde acoustique de surface et d'atomisation électrohydrodynamique (SAW-EHDA) a été introduit pour surmonter ce problème en intégrant l'EHDA avec SAW pour réaliser le dépôt de différents types d'encres conductrices à une fréquence (19,8 MHZ) et une puissance inférieures. Trois matériaux, Poly [2-méthoxy-5-(2-éthylhexyloxy)-1, 4-phénylènevinylène] (MEH-PPV), oxyde de zinc (ZnO) et Poly(3, 4-éthylènedioxythiophène) : Polystyrène Sulfonate (PEDOT : PSS ) ont été déposés avec succès sous forme de films minces via l'hybride SAW-EHDA. Les films présentent de bonnes caractéristiques morphologiques, chimiques, électriques et optiques. Pour évaluer davantage les caractéristiques des films déposés, un capteur d'humidité a été fabriqué avec une couche active de PEDOT: PSS déposée à l'aide du système SAW-EHDA. La réponse du capteur était exceptionnelle et bien meilleure par rapport à des capteurs similaires fabriqués à l'aide d'autres techniques de fabrication. Les résultats du dispositif et les caractéristiques des films suggèrent que la technologie hybride SAW-EHDA a un fort potentiel pour produire efficacement une grande variété de films minces et prédire ainsi son avenir prometteur dans certains domaines de l'électronique imprimée.

La science et la technologie des couches minces jouent un rôle majeur dans les industries de haute technologie. L’industrie des couches minces est présente depuis quelques décennies et, en raison de son immense importance et de ses capacités uniques, les domaines d’application des couches minces ont été considérablement élargis. Les plus remarquables d'entre eux sont les dispositifs microélectroniques, les revêtements optiques, les implants biologiques, les revêtements résistants à l'usure, les écrans plats, les cellules et capteurs photovoltaïques1,2,3,4,5. Une grande variété de matériaux, notamment des métaux, des éléments purs, des matériaux organiques et des composés tels que des oxydes, des nitrures et des polymères, peuvent être déposés sur différents types de substrats tels que des métaux, des céramiques et des polymères, grâce aux technologies de couches minces6,7,8. Cela est dû à l’évolution constante des besoins et des exigences de divers domaines scientifiques, dans lesquels les technologies de couches minces ont été continuellement développées et des tendances plus sophistiquées et avancées ont été introduites pour répondre aux besoins d’une industrie en pleine croissance. Certaines des technologies de couches minces les plus largement utilisées sont le revêtement par centrifugation, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt de couche atomique, la pulvérisation cathodique, la coucheuse par centrifugation, l'atomisation électro-hydrodynamique, la micro-héliogravure, le dépôt de couche atomique atmosphérique en rouleau et la sérigraphie9,10. 11,12.

L’un des candidats possibles pour la fabrication de couches minces et le dépôt de motifs est la technologie d’atomisation par ondes acoustiques de surface (SAW)13. Les ondes SAW sont des ondes Raleigh de surface à très haute fréquence se déplaçant dans le substrat piézoélectrique et peuvent dynamiser les particules de gouttelettes par des vibrations, entraînant une atomisation et produisant un brouillard de gouttelettes de type brouillard sec14,15,16. Réalisant l'atomisation fine des encres conductrices via SAW, Kim et al. appliqué à la fabrication de puces protéiques en incorporant SAW avec dépôt électronique (SAW-ED), où les particules atomisées chargées des protéines conductrices étaient déplacées à l'opposé de la gravité à l'aide d'un champ électrique puissant17. Cela a conduit à l’introduction d’une nouvelle méthode pouvant être utilisée pour le dépôt de motifs et de films. Bien que l'efficacité de la collecte ait été améliorée grâce à l'utilisation d'un collimateur de charge, le dépôt n'était pas continu car la gouttelette était placée à plusieurs reprises au niveau du transducteur interdigital (IDT) après l'atomisation. De plus, en raison du grand volume actif de la gouttelette, la taille des particules atomisées était légèrement inférieure à 10 µm, ce qui, bien que non inférieur à la taille minimale des gouttelettes d'EHDA, évite seulement les problèmes de blocage des buses. Le problème a été résolu et la fréquence SAW a été augmentée jusqu'à 95 MHz pour produire des particules submicroniques18. Actuellement, les problèmes liés au SAW-ED incluent la fabrication d'un IDT capable de fonctionner à une fréquence aussi élevée qui est très coûteuse et également, l'atomisation n'est pas continue, ce qui affecte le temps de dépôt, l'efficacité et la qualité19,20. Des particules de protéines d'un diamètre de 1 à 10 µm ont été produites pour les aérosols et l'administration de médicaments à l'aide de SAW à haute fréquence, avec les mêmes inconvénients que ceux mentionnés ci-dessus. De plus, dans la plupart des travaux sur les atomiseurs SAW, seules des protéines hautement conductrices de faible densité sont utilisées en raison de leur facilité d’atomisation et de dépôt. En 2011, du papier filtre et un réservoir de seringue ont été utilisés pour un approvisionnement continu en encre, en utilisant « l’effet d’auto-pompage » du SAW pour l’atomisation continue des liquides21. Malheureusement, cette méthode n’est utile que pour les liquides de faible poids moléculaire et limite donc considérablement le choix de l’encre pour la fabrication du dispositif. La même année, une tentative a été faite pour le dépôt de films minces et de motifs d'encre conductrice à l'aide de SAW-EHDA en fournissant un flux d'encre continu à travers une pompe à seringue, mais les caractéristiques du film étaient très médiocres22. On pourrait ainsi supposer que nous avons besoin d’un SAW-EHDA hybride alors que l’EHDA travaille également sur l’atomisation électrique du fluide et peut produire des films minces très uniformes. Le SAW-EHDA est un candidat sérieux pour la fabrication de couches minces par rapport à l'EHDA car l'atomisation est très uniforme et la taille des particules obtenue grâce aux atomiseurs SAW est très petite (submicronique) par rapport aux systèmes EHDA (quelques microns). À mesure que la taille des particules diminue, l'épaisseur minimale du film réalisable diminue également, tandis que le film sera plus uniforme et non poreux avec de meilleures propriétés électriques et mécaniques.