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Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3223 (2022) Citer cet article

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Les composants électroniques flexibles imprimés basés sur les technologies sans fil sont essentiels pour l'Internet des objets (IoT), l'interaction homme-machine, les applications portables et biomédicales. Cependant, les défis des approches d'impression existantes demeurent, tels que la faible précision d'impression, la difficulté d'impression conforme, les formulations et les processus d'encre complexes. Nous présentons ici une stratégie d'impression directe à température ambiante pour l'électronique sans fil flexible, dans laquelle des modules fonctionnels distincts hautes performances (par exemple, des antennes, des micro-supercondensateurs et des capteurs) peuvent être fabriqués avec une haute résolution et intégrés davantage sur divers substrats plats/incurvés. Les encres aqueuses MXène au carbure de titane (Ti3C2Tx) sans additif sont régulées avec un rapport monocouche élevé (> 90 %) et une distribution étroite de la taille des flocons, offrant une conductivité métallique (~ 6 900 S cm−1) dans les pistes imprimées ultrafines. (interligne de 3 µm et uniformité spatiale de 0,43 %) sans recuit. En particulier, nous construisons un système intégré entièrement imprimé en MXène, capable de communication sans fil, de récupération d'énergie et de détection intelligente. Ce travail ouvre la porte à la fabrication additive de haute précision d’électronique sans fil imprimée à température ambiante.

Les progrès de l’électronique imprimée stimulent continuellement la fabrication évolutive et durable d’appareils portables et flexibles1,2,3. Contrairement aux processus soustractifs traditionnels, l’impression directe à l’encre offre une alternative viable pour une fabrication rapide et à grande échelle en raison de ses procédures relativement simples et rentables, ainsi que de sa compatibilité et de son utilisation souhaitables avec les matériaux4,5. Néanmoins, en ce qui concerne la fabrication à température ambiante de composants électroniques flexibles, les approches d’impression existantes sont encore loin d’être idéales. Le principal obstacle vient des formulations d’encre et des processus d’impression. La plupart des encres imprimables (à base de métal ou de carbone) souffrent de formulations d'encre complexes (nécessitant des tensioactifs/modificateurs rhéologiques/liants), de propriétés physiques intrinsèques insatisfaisantes (c'est-à-dire une mauvaise conductivité électrique) ou exigent de longs post-traitements (c'est-à-dire des températures élevées). recuit pour éliminer les additifs)6,7. Ces problèmes compliquent le processus de fabrication du dispositif, excluent les choix de substrats polymères à faible coût tout en compromettant la précision d'impression du dispositif et ses propriétés ultérieures. D'autre part, la complexité structurelle croissante de l'électronique flexible (en particulier divers systèmes multifonctions sans fil) impose des exigences plus élevées aux technologies d'impression à encre directe, en particulier l'impression conforme de haute précision et la fabrication intégrée multi-modules pour éviter des transferts et des processus fastidieux. processus d'assemblage8,9.

Une approche prometteuse consiste à combiner des encres conductrices aqueuses sans additifs avec la technologie d’impression par extrusion. Par rapport à d’autres méthodes d’impression, l’impression par extrusion permet une fabrication additive à haut débit sans masques ni accessoires supplémentaires, offrant ainsi de plus grandes opportunités en matière de choix de matériaux/substrats et d’extensibilité d’impression (de coplanaire à tridimensionnelle)10,11. Néanmoins, même si les encres conductrices aqueuses sans additifs se sont révélées prometteuses pour simplifier la formulation de l’encre et éliminer le post-traitement, il reste difficile de doter les encres fonctionnelles de propriétés rhéologiques et électriques appropriées pour réaliser une fabrication à température ambiante d’électronique sans fil flexible. À cet égard, en tant que famille émergente de carbures et nitrures de métaux de transition 2D, les MXènes, qui possèdent des propriétés uniques souhaitables pour les encres fonctionnelles (c'est-à-dire la conductivité métallique, l'hydrophilie et les charges de surface négatives), offrent de nouvelles possibilités14,15. En particulier, Ti3C2Tx (Tx désigne les terminaisons de surface), en tant que MXène le plus largement étudié, permet la formation contrôlable de dispersions colloïdales aqueuses stables sans additifs et sans aucun additif16,17 et a donc été appliqué dans différents appareils, tels que des batteries, des micro-supercondensateurs ( MSC), nanogénérateurs triboélectriques (TENG), transistors, capteurs, etc.18,19,20,21. Cependant, lorsqu'il s'agit de fabriquer des composants électroniques sans fil flexibles, peu de succès ont été obtenus en termes de précision d'impression à température ambiante et de lignes de composants à conductivité électrique ultra élevée basées sur des encres MXene. De plus, un protocole réalisable d’impression intégrée multimodule pour les appareils sans fil entièrement imprimés a rarement été rapporté jusqu’à présent.

90%), and narrow flake size distribution, the as-formulated inks showcase desirable shear-thinning viscoelastic properties (viscosity of ~2.5 × 102 Pa·s) allowing continuous extrusion and quick solidification (Fig. 1d, e)23. Supplementary Figure 3 provides more details regarding the ink rheological characteristics. Notably, these aqueous inks are stable without sedimentation when stored in Ar-sealed bottles in the dark and low temperature (<4 °C) for at least two years, ensuring a sufficient time window for potential ink printing. After removing dissolved oxygen, these aqueous inks are also stable for long periods of time under ambient conditions (Supplementary Fig. 4). Besides, the ink wettability on the substrates are enhanced through plasma treatments to form continuous films and improve the substrate adhesion (See more details in Supplementary Figs. 5–7)24,25./p>

, bottom) in e. g Raman spectrum of MXene films on different substrates. h SEM image of the MXene film. Scale bar, 25 µm. i Sheet resistance (in red) and thickness (in blue) of MXene films as a function number of printing pass, . Inset: the surface profile of MXene films ( = 6). Scale bar, 1 mm. j The electrical conductivity changes of MXene films as a function of . The red and blue dots represent that the MXene films were dried under ambient conditions and low humidity, respectively. k The comparison of ink conductivity (σ) and concentration (c) of the MXene ink with other reported printable ink systems./p> results in thicker films with lower sheet resistance. Notably, the printed thickness scales linearly with , another indicative of high-resolution prints with sharp printing edges (Supplementary Fig. 17); otherwise, the thickness deviates from the fitted line because of the dome formation. Based on the sheet resistance and thickness, the electrical conductivity of all-printed lines was obtained, showing a value up to 6260 S cm−1 when = 2 right after printing (Fig. 2j), which can be further improved to 6900 S cm−1 by simply storing in low-humidity condition (~10% RH) for 4 h. We note the direct printing of MXene inks at room temperature to achieve metallic conductivity possesses apparent advantages over the printing of liquid metals or other metal-based inks (such as Zn, Ag nanoparticles, Supplementary Table 2), as the latter require either UV curing or annealing, which is not plausible for printed electronics mounted on temperature-sensitive, low-cost substrates./p> = 2), exceeding that of all other reported printable inks27. The preferable rheological, electrical, and mechanical properties of MXene inks suggest the great plausibility of room-temperature printing of high-performance flexible wireless electronics, as discussed below./p>30 versatile members and is still quickly expanding, more advanced MXene-based wireless electronics may be enabled by either choosing novel MXene inks and/or the booming printing/wireless technologies40,41 or varying the energy storage devices (such as flexible batteries, solar cells, TENGs, etc.)42/sensing modules (such as flexible chemical, physical, and biological sensors)43,44 etc./p>