Παρασκευή υπερσυμπυκνωμένων αιωρημάτων νανοσωματιδίων αργύρου και οξειδίου του χαλκού για τη χρήση τους σε εκτυπώσιμα αγώγιμα μελάνια

Abstract

The aim of this dissertation is to contribute to existing knowledge in the additive manufacturing of microelectronics by providing research findings that will facilitate the development of advanced materials and processes. The study targets scientific challenges that have not been fully explored by the scientific community, such as the preparation of conductive inks with properties tailored for applications in Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) and the preparation of copper precursor-based inks suitable for LIFT. These inks are proposed as a cost-effective alternative to noble metal nanoparticle-based inks and a chemically stable alternative to copper nanoparticle inks. The experimental procedure focuses on the preparation of suspensions—high-content inks containing silver and copper oxide nanoparticles—with properties (particle size and shape, rheology, chemical stability, and thermal properties) suitable for the processing parameters of LIFT. Two approaches are followed for the development of these inks. The first utilizes commercially available low-content silver and copper oxide nanoparticle suspensions as a starting material to prepare high-content inks, employing simple laboratory techniques, both chemical (e.g., pH regulation) and mechanical (e.g., centrifugation). The second approach is based on the direct synthesis of high-content particle inks under microwave irradiation. The use of microwave radiation aims to rapidly and uniformly heat the reaction mixture, providing the necessary energy for the synthesis.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να συνεισφέρει στην υπάρχουσα γνώση για την προσθετική κατασκευή προϊόντων μικροηλεκτρονικής με συμπεράσματα τα οποία θα συμβάλουν στην ανάπτυξη προηγμένων υλικών και διεργασιών. Η μελέτη στοχεύει σε ερευνητικές προκλήσεις που δεν έχουν διερευνηθεί πλήρως από την επιστημονική κοινότητα, όπως την παρασκευή αγώγιμων μελανιών με ιδιότητες που στοχεύουν σε εφαρμογές Πρόσθιας Εκτύπωσης με Laser (Laser-Induced Forward Transfer, LIFT) και την παρασκευή μελανιών βασισμένων σε πρόδρομη ένωση χαλκού, κατάλληλων για τη LIFT, ως οικονομικής εναλλακτικής έναντι μελανιών βασισμένων σε νανοσωματίδια ευγενών μετάλλων, και χημικά σταθερότερης εναλλακτικής έναντι μελανιών νανοσωματιδίων χαλκού. Η έρευνα επικεντρώνεται στην παρασκευή αιωρημάτων – μελανιών υψηλού περιεχομένου σε νανοσωματίδια αργύρου και οξειδίου του χαλκού, με ιδιότητες (μέγεθος και σχήμα σωματιδίων, ρεολογία, χημική σταθερότητα και θερμικές ιδιότητες) κατάλληλες για τις παραμέτρους της LIFT. Για την ανάπτυξη των μελανιών ακολουθούνται δύο προσεγγίσεις. Η πρώτη χρησιμοποιεί εμπορικά αιωρήματα χαμηλής περιεκτικότητας σε νανοσωματίδια αργύρου και οξειδίου του χαλκού, ως πρώτη ύλη για την παρασκευή πυκνών μελανιών, εφαρμόζοντας απλές εργαστηριακές τεχνικές, τόσο χημικές (π.χ. ρύθμιση pH), όσο μηχανικές (π.χ. φυγοκέντρηση). Η δεύτερη βασίζεται στην άμεση σύνθεση των αντίστοιχων πυκνών μελανιών σωματιδίων, υπό την επίδραση μικροκυματικής ακτινοβολίας. Η χρήση ακτινοβολίας μικροκυμάτων στοχεύει στην ταχεία και ομοιόμορφη θέρμανση του αντιδρώντος μίγματος, για την εξασφάλιση της απαραίτητης ενέργειας για την υλοποίηση της αντίδρασης σύνθεσης.