喷墨打印微制造技术：替代和选择性烧结方法

作为第一选择，Allen等人^[32]用直流电流作为选择性烧结技术。这种技术需要烧结前微导电的特征。作者在短短2μs和100nW/μm³的功率密度下获得了块状银60%的电导率。在烧结过程中印制NP层的导电性增加超过5个数量级。此外，作者在银NP层上和平板下，采用高压探头与交变磁场证明了无触点烧结（100V，300MHz），如图8.3所示。

由Reinhold等人^[33]开发的另一个选择性烧结技术是在低压氩等离子中显示出印制特征。这一过程自上而下地分解了具有印制特征的纳米粒子周围的有机部分，它可以及时增长出表层。在充足的时间烧结之后，印刷特征转换成块状材料。作者证实把胶粘剂绑在部分烧结印制结构上来形成表层，从而消除了顶层导电，留下了指定的未烧结的部分材料。除去上层发现特征性的蓝色外观纳米粒子，并没有显示导电性。然而，外壳到胶带是导电的，相比于之前完整的跟踪表现出类似的性能。随后样品的等离子体处理又产生了导电性。

如图8.4所示，在左手边（Ⅰ和Ⅱ）是扫描电子显微镜（SEM）的两个不同区域之间的过渡图像。这些区域是将两倍粘合剂绑在样品上进行重复等离子烧结的结果。在Ⅱ左下方是烧结和未烧结的交汇处，这里墨水的结构变化是明显的。右边SEM图像显示出未烧结材料看起来光滑（Ⅴ），在烧结过程中发生明显的晶粒生长（Ⅲ和Ⅳ）。比较等离子处理后样品的显微结构，一次又一次地没有显示出明显的差异。使用这种技术，获得的电导率为块状银的30%～40%。

图8.3 a）交流无触点烧结探针在纳米粒子层之上和印制基板的接地平板之下的示意图。 红外图像（λ＜10_μm）b）脉冲和 c）方形脉冲（闭环）与U_DC=5V电压施加

在导体上达到图形可视化的目的（引自参考文献[32]，©2011，物理研究所出版）

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图8.4 重复烧结后除去表层后的组织

（引自参考文献[33]，©2011，英国皇家化学学会）

选择性烧结第三个例子是利用微波辐射^[34]。通常情况下，高导电性的材料，例如金属，在2.45GHz的微波频率下有1～2μm的穿透深度。据认为，导电粒子的相互作用与微波辐射，即电感耦合，主要是基于Maxwell-Wagner极化，源于材料内界面电荷的积累、导电和涡流^[35]。相对于能较强的吸收微波的导电粒子，显而易见，对于微波辐射，在热塑性聚合物的T_g以下的偶极子的极化是有限的，这使得聚合物箔的表层深度几乎是无限的。

使金属纳米粒子暴露在微波中，不仅揭示了烧结过程正在发生，而且缩短为烧结时间的1/20，而电导率与热烧结时相似。Perelaer等人^[36]描述，通过使用导电的天线结构，表现出弱的导电特性，曝光时间可减少到只有1s（见图8.5）。事实上，天线结构不需要与未烧结的特征有物理接触，使天线可以回收。这个过程可以实现R2R生产。与块状银相比，烧结后的特征揭示出高达34%的电导率。

最后一个例子，光子烧结，它采用了高强度的白光束烧结金属先驱墨水（见图8.6）。这种较新的技术是通过NovaCentrix^[37]来商业化的。该工具可以产生最大值为100kW/cm²的非常短的白色光脉冲向靶材提供能量。通过仔细控制灯的工作周期，向墨水传递的能量可以停在正确的时刻，那就是，在转换成导电墨水和防止基板损伤之前已经传递了足够的能量。以100m/min的平移速度可以得到块状银电导率的25%～30%。

其他技术已经在公开的文献中报道过，称已用于包括暴露于紫外线辐射^[38]的烧结、脉冲电流烧结^[39]、高温等离子烧结^[40]和激光烧结^[41]。