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Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 3223 (2022) Diesen Artikel zitieren
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Details zu den Metriken
Durch drahtlose Technologien unterstützte gedruckte flexible Elektronik ist für das Internet der Dinge (IoTs), die Mensch-Maschine-Interaktion sowie tragbare und biomedizinische Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Allerdings bleiben die Herausforderungen für bestehende Druckansätze bestehen, wie z. B. geringe Druckpräzision, Schwierigkeiten beim konformen Drucken, komplexe Tintenformulierungen und -prozesse. Hier stellen wir eine Direktdruckstrategie bei Raumtemperatur für flexible drahtlose Elektronik vor, bei der unterschiedliche Hochleistungsfunktionsmodule (z. B. Antennen, Mikrosuperkondensatoren und Sensoren) mit hoher Auflösung hergestellt und weiter auf verschiedenen flachen/gekrümmten Substraten integriert werden können. Die zusatzfreien wässrigen Titankarbid (Ti3C2Tx) MXene-Tinten werden mit einem großen Einzelschichtverhältnis (>90 %) und einer engen Flockengrößenverteilung reguliert und bieten metallische Leitfähigkeit (~6.900 S cm−1) in den ultrafein gedruckten Spuren (3 μm Linienabstand und 0,43 % räumliche Gleichmäßigkeit) ohne Glühen. Insbesondere bauen wir ein vollständig auf MXene gedrucktes integriertes System, das drahtlose Kommunikation, Energiegewinnung und intelligente Sensorik ermöglicht. Diese Arbeit öffnet die Tür für die hochpräzise additive Fertigung gedruckter drahtloser Elektronik bei Raumtemperatur.
Fortschritte in der gedruckten Elektronik stimulieren kontinuierlich die skalierbare und nachhaltige Herstellung tragbarer und flexibler Geräte1,2,3. Im Gegensatz zu herkömmlichen subtraktiven Verfahren bietet der direkte Tintendruck aufgrund seiner relativ einfachen, kostengünstigen Verfahren und der wünschenswerten Materialkompatibilität und -verwendung eine praktikable Alternative für die schnelle Fertigung in großem Maßstab4,5. Dennoch sind die bestehenden Druckansätze im Hinblick auf die Raumtemperaturfertigung flexibler Elektronik noch lange nicht ideal. Die größte Hürde liegt in den Tintenformulierungen und Druckverfahren. Die meisten druckbaren Tinten (auf Metall- oder Kohlenstoffbasis) weisen entweder komplexe Tintenformulierungen auf (erfordern Tenside/rheologische Modifikatoren/Bindemittel), unbefriedigende physikalische Eigenschaften (z. B. schlechte elektrische Leitfähigkeit) oder erfordern langwierige Nachbehandlungen (z. B. hohe Temperaturen). Glühen zur Entfernung von Zusatzstoffen)6,7. Diese Probleme erschweren den Herstellungsprozess des Geräts, schließen die Auswahl kostengünstiger Polymersubstrate aus und beeinträchtigen gleichzeitig die Druckpräzision und die Eigenschaften des Geräts. Andererseits stellt die zunehmende strukturelle Komplexität flexibler Elektronik (insbesondere verschiedener drahtloser Multifunktionssysteme) höhere Anforderungen an Direkttintendrucktechnologien, insbesondere an hochpräzises konformes Drucken und integrierte Multimodulfertigung, um zeitaufwändige und umständliche Übertragungen zu vermeiden Montageprozesse8,9.
Ein vielversprechender Ansatz ist die Kombination von additivfreien wässrigen Leittinten mit der Extrusionsdrucktechnologie. Im Vergleich zu anderen Druckverfahren ermöglicht der Extrusionsdruck eine additive Fertigung mit hohem Durchsatz ohne zusätzliche Masken und Zubehör und bietet größere Möglichkeiten bei der Material-/Substratauswahl und der Druckerweiterbarkeit (von koplanar bis dreidimensional)10,11. Obwohl sich zusatzfreie wässrige leitfähige Tinten als vielversprechend erwiesen haben, wenn es darum geht, die Tintenformulierung zu vereinfachen und die Nachbearbeitung zu eliminieren, bleibt es eine Herausforderung, funktionelle Tinten mit geeigneten rheologischen und elektrischen Eigenschaften auszustatten, um die Herstellung flexibler drahtloser Elektronik bei Raumtemperatur zu ermöglichen12,13. In dieser Hinsicht bieten MXene, eine aufstrebende Familie von 2D-Übergangsmetallcarbiden und -nitriden, die über einzigartige Eigenschaften verfügen, die für funktionelle Tinten wünschenswert sind (z. B. metallische Leitfähigkeit, Hydrophilie und negative Oberflächenladungen), neue Möglichkeiten14,15. Insbesondere Ti3C2Tx (Tx bezeichnet Oberflächenabschlüsse) ermöglicht als das am häufigsten untersuchte MXen die kontrollierbare Bildung stabiler, additivfreier wässriger kolloidaler Dispersionen ohne Zusatzstoffe16,17 und wurde daher in verschiedenen Geräten wie Batterien und Mikro-Superkondensatoren ( MSCs), triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs), Transistoren, Sensoren usw.18,19,20,21. Wenn es jedoch um die Herstellung flexibler drahtloser Elektronik geht, wurden bei Raumtemperatur und feiner Druckpräzision von Komponentenlinien mit ultrahoher elektrischer Leitfähigkeit auf Basis von MXene-Tinten nur geringe Erfolge erzielt. Darüber hinaus wurde bislang nur selten über ein realisierbares Protokoll für das integrierte Drucken mit mehreren Modulen für vollständig gedruckte drahtlose Geräte berichtet.
In diesem Artikel berichten wir über die Realisierung des Direktdrucks flexibler drahtloser Elektronik bei Raumtemperatur. Additivfreie wässrige MXene-Tinten verfügen über wünschenswerte rheologische und elektrische Eigenschaften, die auf einem großen Einzelschichtverhältnis, einer hohen Tintenkonzentration und einer engen Flockengrößenverteilung beruhen, um metallische Leitfähigkeit beim hochpräzisen Extrusionsdrucken zu erreichen und so die effiziente Herstellung monolithischer flexibler Materialien zu ermöglichen Systeme zur Energiegewinnung, drahtlosen Kommunikation und Sensorik. Die vollständige Demonstration der reinen MXene-Funktionselektronik zeigt deutlich das enorme Potenzial des MXene-Direktdrucks bei Raumtemperatur für die integrierte Fertigung tragbarer und flexibler drahtloser Elektronik der nächsten Generation in großem Maßstab.
Wir beginnen mit der Beschreibung der Formulierung und Charakterisierung der MXene-Tinte. Abbildung 1a zeigt schematisch die Raumtemperatur-Druckstrategie für flexible drahtlose Elektronik. Additivfreie wässrige MXene-Tinten werden nach einem modifizierten, minimal intensiven Schichtdelaminierungsweg unter Verwendung optimierter Zentrifugations- und Ultraschallmethoden hergestellt, um die rheologischen und elektrischen Eigenschaften zu verbessern (ergänzende Abbildung 1). Die so formulierten Tinten enthalten mit einer hohen Konzentration (~60 mg mL−1) ultradünne, überwiegend einschichtige Ti3C2Tx-Flocken mit hexagonaler Atomanordnung (Abb. 1b und Einschub), was gut mit früheren Berichten übereinstimmt21,22. Diese einschichtigen Ti3C2Tx-Nanoblätter besitzen eine durchschnittliche Flockengröße von ~ 1,6 μm und eine Dicke von ~ 1,5 nm (Abb. 1c und ergänzende Abb. 2). Aufgrund der hohen Tintenkonzentration, des großen Einzelschichtanteils (>90 %) und der engen Flockengrößenverteilung weisen die so formulierten Tinten wünschenswerte scherverdünnende viskoelastische Eigenschaften (Viskosität von ~2,5 × 102 Pa·s) auf, die eine kontinuierliche Extrusion ermöglichen schnelle Erstarrung (Abb. 1d, e)23. Ergänzende Abbildung 3 enthält weitere Details zu den rheologischen Eigenschaften der Tinte. Bemerkenswert ist, dass diese wässrigen Tinten ohne Sedimentation stabil sind, wenn sie in Ar-versiegelten Flaschen im Dunkeln und bei niedrigen Temperaturen (<4 °C) mindestens zwei Jahre lang gelagert werden, wodurch ein ausreichendes Zeitfenster für einen möglichen Tintendruck gewährleistet ist. Nach der Entfernung von gelöstem Sauerstoff sind diese wässrigen Tinten auch unter Umgebungsbedingungen über lange Zeiträume stabil (ergänzende Abbildung 4). Darüber hinaus wird die Tintenbenetzbarkeit auf den Substraten durch Plasmabehandlungen verbessert, um kontinuierliche Filme zu bilden und die Substrathaftung zu verbessern (weitere Einzelheiten finden Sie in den ergänzenden Abbildungen 5–7)24,25.
a Schematische Darstellung des Direktdrucks von wässrigen MXene-Tinten ohne Zusatzstoffe bei Raumtemperatur auf verschiedenen Substraten für flexible drahtlose Elektronik wie Sensoren, MSCs, Antennen usw. b Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Bild von Ti3C2Tx-Nanoblättern. Maßstabsleiste: 200 nm. Einschub: das ausgewählte Flächenelektronenbeugungsmuster (SAED). Maßstabsbalken: 5 1/nm. c Rasterkraftmikroskopie (AFM)-Bild von MXene-Tinten und entsprechende Höhenprofile. d Rheologische Eigenschaften wässriger MXene-Tinten mit Viskosität aufgetragen als Funktion der Scherrate (oben) und der Intervallscherzeit (unten, abwechselnde Scherrate zwischen 0,1 s−1 und 100 s−1, um den Extrusionsprozess zu simulieren). e Speichermodul (G′) und Verlustmodul (G″) von wässrigen MXene-Tinten im Vergleich zur Scherspannung.
Der Direktdruck bei Raumtemperatur wurde mit einem programmierbaren dreiachsigen pneumatischen Extrusionsspender durchgeführt (Abb. 2a und ergänzende Abb. 8). Durch digitale Vordefinition mit spezifischem Linienabstand und -breite können verschiedene Muster/Schaltkreise effizient auf planare oder gekrümmte Oberflächen mit unregelmäßigen Geometrien gedruckt werden (z. B. Blätter und Früchte, Abb. 2b, ergänzende Abb. 9 und Film 1). Beispielsweise können gleichmäßige MXene-Linien mit präzisen Linienabständen im Bereich von 3 bis 30 μm direkt gedruckt werden (Abb. 2c, d und ergänzende Abb. 10), was die Vielseitigkeit des Direktdrucks feiner Leiterbahnen/Schaltkreise demonstriert. Es ist erwähnenswert, dass für Direktdruckstrategien bisher ein Linienabstand von 3 μm gemeldet wurde (Ergänzungstabelle 1), was das enorme Potenzial bei der Herstellung hochauflösender Elektronik mit hoher Packungsdichte verdeutlicht8. Darüber hinaus können Linien mit unterschiedlichen Breiten aufgrund der richtigen Lösungsmittelverdampfungskinetik und Substratbenetzbarkeit mit einer extrem hohen räumlichen Gleichmäßigkeit von 0,43 % gedruckt werden (Abb. 2e, f). Gemessen mit einem optischen Profilometer (ergänzende Abbildung 11) weisen diese MXene-Linien scharfe elliptische Querschnittsformen auf, die von den geeigneten rheologischen Eigenschaften der Tinte mit hohem G′ profitieren und es den extrudierten Filamenten ermöglichen, die feste Form beizubehalten, ohne sich auszubreiten. Bei Verwendung kleinerer Nadeln kann die gedruckte Linienbreite weiter auf 120 μm reduziert werden (ergänzende Abbildung 12). Die nahezu identischen Raman-Spektren von zwei Jahre alten Linien, die auf verschiedenen kostengünstigen, beliebten Substraten getragen werden (Abb. 2g und ergänzende Abb. 13 und 14), legen nahe, dass (1) unberührte MXene entlang/nach der Extrusion gut erhalten geblieben sind und (2) Die Direktdruckstrategie MXene-basierter Elektronik ist universell und mit bestehenden Dünnschichttechnologien kompatibel.
ein optisches Bild hochauflösender integrierter Schaltkreise, die durch direkten MXene-Druck hergestellt wurden. Maßstabsleiste, 10 mm. Einschub: die gebogene MXene-Schaltung. b MXene druckte die Logos „ZJU“ und „EMPA“ auf gekrümmte Oberflächen. Maßstabsleiste, 20 mm. c REM-Aufnahme von periodisch gedruckten MXene-Linien mit einem Abstand von 30 µm. Maßstabsbalken, 500 µm. Einschub: Linienabstand von 30 µm. d REM-Bilder von MXene-Linien mit unterschiedlichen Lücken von 3 µm bis 25 µm. Maßstabsbalken, 50 µm. e REM-Bild der MXene-Linien unterschiedlicher Breite. Maßstabsbalken, 500 µm. f Entsprechende Breitenverteilung (oben) und Variation (
Anschließend haben wir die mit MXene bedruckten Filme charakterisiert. Aufgrund der scherinduzierten Ausrichtung während der Extrusion bestehen die gedruckten Pfade aus dicht gestapelten und miteinander verbundenen Ti3C2Tx-Nanoblättern (Abb. 2h und ergänzende Abb. 15) und bilden ein robustes metallisches Netzwerk, das einen freien und schnellen Elektronentransport ermöglicht (dominiert von). die intrinsischen Prozesse innerhalb der Flocken)26 und ermöglichen dadurch eine hohe Leitfähigkeit und mechanische Flexibilität (wie durch den zyklischen Biegetest belegt, ergänzende Abbildung 16). Abbildung 2i legt nahe, dass eine Erhöhung von
Da sowohl eine hohe Konzentration (c) als auch eine elektrische Leitfähigkeit (σ) für druckbare Tinten unerlässlich sind, um eine hohe Druckeffizienz zu erreichen, verwenden wir eine Leistungskennzahl (FoM = σc), um die Druckeffizienz wie zuvor empfohlen8,27 zu bewerten. Ein höherer FoM bedeutet eine schnellere Druckgeschwindigkeit mit einer höheren Leitfähigkeit bei einer bestimmten Filmdicke. Wie in Abb. 2k gezeigt, erreicht die formulierte MXene-Tinte einen rekordhohen FoM von ~414.000 S cm−1 mg mL−1 (
Im Zeitalter des IoT sind leistungsstarke integrierte Antennen für flexible, tragbare Elektronikgeräte28 aufgrund ihrer Fähigkeit zur drahtlosen Datenübertragung und Energiegewinnung unverzichtbar. Nahfeldkommunikation (NFC) ist eine drahtlose Technologie mit kurzer Reichweite, die durch induktive Kopplung eine gleichzeitige Strom- und Datenübertragung zwischen Geräten ermöglicht und eine vielseitige Plattform für batterielose Miniatur-Sensorelektronik bietet29. Aus diesem Grund haben wir die erste vollständig mit MXene bedruckte NFC-Antenne bei Raumtemperatur mit einer Länge von 70 mm und einer Breite von 45 mm hergestellt und dabei auf die Standardgröße von Kreditkarten verwiesen (Abb. 3a, b und ergänzende Abb. 18).
a Herstellung und Mechanismus gedruckter MXene-NFC-Tags, die drahtlos mit dem Smartphone kommunizieren und dessen Energie erfassen, um die LED zum Leuchten zu bringen. b Foto des flexiblen NFC-Tags, hergestellt auf PDMS. c Oberflächenstromverteilung (Jsurf) der NFC-Antenne bei 13,56 MHz. d Simulation des Widerstands und des Q-Faktors der NFC-Antenne für verschiedene Dicken. e Optische Bilder der gebogenen kleinen NFC-Tags und entsprechende Dehnungsverteilungen (Einschub) der flexiblen Antennen unter Biegung. f Das Foto zeigt, dass die elektrische Energie, die von einem NFC-fähigen Smartphone an die MXene NFC-Antenne übertragen wird, 168 parallele LED-Leuchten zum Leuchten bringen kann. g Optische Bilder von zwei kleinen runden (oben) und quadratischen (unten) MXene NFC-Tags mit leuchtenden LEDs. h Zwei Anwendungsbeispiele der MXene NFC-Tags, Zugangskarte für gängige elektronische Türschlösser (links) und Identifikationsetikett für Anlageninformationen (rechts).
Um den Qualitätsfaktor Q zu maximieren, wurde die Spulengeometrie vorab simuliert, wie in der Ergänzungstabelle 3 zusammengefasst. Als Ergebnis wurden die Anzahl der Windungen von 5 Spulen, eine Linienbreite von 2,5 mm und ein Spulenabstand von 0,5 mm ausgewählt spezifische geometrische Parameter, die den Kommunikationsbedarf der meisten kommerziellen NFC-fähigen Geräte abdecken30. Abbildung 3c zeigt die Antennenoberflächenstromverteilung bei 13,56 MHz. Wenn die Dicke der MXene-Antenne unter der Hauttiefe liegt, sind der Antennenwiderstand und der Q-Faktor einstellbar (Abb. 3d). Die MXene-Antennenspulen können auf verschiedene Funktionssubstrate gedruckt werden, darunter biologisch abbaubarer Poly(vinylalkohol) (PVA), Ferritsubstrate, die die Antenne vor Metallinterferenzen abschirmen, und andere neun verschiedene Arten von Substraten mit ausgezeichneter mechanischer Robustheit (Ergänzende Abbildungen 19). und 20 und Film 2). Die gekapselten MXene-NFC-Tags haben eine mit den kommerziellen Tags vergleichbare Lebensdauer. Interessanterweise funktioniert das MXene-NFC-Tag ohne Kapselung auch nach zwei Jahren Lagerung bei niedriger Luftfeuchtigkeit noch ordnungsgemäß (ergänzende Abbildung 21), was auf die so gebildete Oberflächenoxidschicht zurückzuführen ist, die den internen Leiterpfad schützt31. Darüber hinaus wurden auch flexible MXene-Antennenspulen mit personalisierten kleineren Größen hergestellt (ergänzende Abbildung 22a – d). Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse (FEA) zeigen, dass die Belastung der MXene-Antenne während der Verformung hauptsächlich in der axialen Richtung der Biegung verteilt ist (Abb. 3e). Während des wiederholten Biegens (ergänzende Abbildung 22e – l) behält das MXene-Tag seine integrierte Struktur ohne Risse bei, was darauf hinweist, dass die Sandwichstruktur die MXene-Zwischenschicht zwischen PDMS-Filmen davor schützt, die Streckgrenze zu erreichen.
Die gedruckten MXene NFC-Antennen bieten eine stabile Erreichbarkeit bei 13,56 MHz für verschiedene NFC-fähige Geräte. Die drahtlos von einem Smartphone über die robuste MXene-NFC-Antenne gewonnene Energie kann Hunderte von LEDs zum Leuchten bringen (Abb. 3f und Zusatzfilm 3), was auf eine hervorragende Energieübertragungsfähigkeit hinweist. Die Kombination der Datenaustauscheigenschaften lässt darauf schließen, dass sie ein großes Potenzial haben, diese bestehenden kommerziellen zu ersetzen und Anwendungen in batterielosen, drahtlosen Sensorgeräten der nächsten Generation zu finden, wie z. B. kritische Informationserkennung und Energiegewinnung (Abb. 3g), tragbare elektronische ID Karten und flexible Pflanzenidentifikationsetiketten (Abb. 3h und Zusatzfilm 4), um nur einige zu nennen.
Als weitere zentrale drahtlose IoT-Technologie ist die Radiofrequenzidentifikation (RFID) aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile wie Berührungslosigkeit, geringer Stromverbrauch, schnelle Identifizierung usw. vielversprechend für die drahtlose Erfassung über große Entfernungen.32 Daher haben wir die ersten gedruckten flexiblen passiven RFID-Tags für die drahtlose Temperaturmessung vorgestellt. Als RFID-Antennendesign wurde der gefaltete Dipol mit geschlossener Schleife gewählt, der große Freiheiten für die Geometrieoptimierung und Chipimpedanzanpassung bietet33. Abbildung 4a zeigt die MXene-Dipolantennen auf PET und PDMS und zeigt hohe Druckpräzision und hervorragende mechanische Flexibilität. Zur Bewertung der Antennenstrahlungseigenschaften wurde das Fernfeldstrahlungsmuster in einer schalltoten Kammer gemessen (Abb. 4b). Die MXene-Dipolantenne weist ein wünschenswertes omnidirektionales Strahlungsmuster in der H-Ebene und ein dipolförmiges Muster mit symmetrischen winkelabhängigen Verstärkungswerten in der E-Ebene auf, wie aus den simulierten und gemessenen Ergebnissen hervorgeht (Abb. 4c und ergänzende Abb. 23a). . Die Resonanzfrequenz und Reflexion S11 der Dipolantenne sind in der ergänzenden Abbildung 23b dargestellt und zeigen ein breites Frequenzband mit einem Spitzenwert nahe 920 MHz, selbst nach 500 Biegungen. Die hohe Stromdichte im Mittelteil der Antenne reicht aus, um den Leistungsbedarf des Mikrochips zu decken (ergänzende Abbildung 24).
a Optische Bilder der MXene-Dipolantennen mit einer Größe von 15 mm × 86 mm auf PET (oben) und PDMS (unten). Maßstabsleiste, 10 mm. b Messung des Antennenstrahlungsmusters im schalltoten Raum. c Simuliertes 3D-Strahlungsmuster der MXene-Dipolantenne bei 920 MHz. d Schematischer Mechanismus des MXene RFID-Temperaturetiketts mit einem an einen Laptop angeschlossenen RFID-Lesegerät. e Lokale Überwachung der Blattoberflächentemperatur mithilfe von vier MXene-RFID-Temperaturetiketten, die auf der Blattoberfläche und der Pflanzenwurzel angebracht sind (Einschub). f MXene RFID-Temperaturetiketten als tragbare Sensoren zur Überwachung der Oberflächentemperatur am menschlichen Armband (Einschub), an der Stirn und an der Brust.
Der Funktionsmechanismus des MXene RFID-Temperaturüberwachungssystems ist in Abb. 4d dargestellt und basiert auf der Rückstreukopplung zwischen dem Lesegerät und dem RFID-Tag34. Das gesamte RFID-Lesesystem ist einfach und leicht zu bedienen (Ergänzende Abbildung 25). Zur Demonstration verwenden wir dieses System, um die lokale Temperatur von Pflanzen und dem menschlichen Körper zu erfassen, wobei es eine hohe Konsistenz und Empfindlichkeit bei Temperaturschwankungen aufweist (Abb. 4e, f und Zusatzfilm 5). Angesichts der derzeit enormen Menge an Metalletiketten und des Risikos von Elektroschrott stellt unser umweltfreundlicher, kostengünstiger MXene RFID eine nachhaltige Alternative für Hochfrequenzelektronik dar35.
Basierend auf der hervorragenden drahtlosen Sensorik und den hervorragenden Energie-/Datenübertragungseigenschaften haben wir die oben genannten MXene-Komponenten außerdem direkt bei Raumtemperatur auf PDMS gedruckt und sie in eine flexible Leiterplatte (FPCB) integriert, wodurch ein flexibles integriertes System entstand (Abb. 5a und). Ergänzende Abbildungen 26 und 27). Das FPCB ist ein Steuermodul, das mit drei gedruckten Modulen verbunden ist (ergänzende Abbildung 28 und Tabelle 4) und so die drahtlose Kommunikation mit Smartphones zur Erfassung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit (T/H) sowie zur Energieübertragung ermöglicht. Die übertragene Energie kann auch gleichzeitig im MSC-Modul gespeichert werden, um die Sensoren mit Strom zu versorgen, sobald das Smartphone entfernt wird. Das Funktionsprinzip des integrierten drahtlosen Sensorsystems ist in Abb. 5b dargestellt und zeigt die Stromversorgungs- und Datenerfassungspfade.
a Schematische Darstellung des drahtlosen Sensorsystems, das in drei vollständig mit MXene bedruckte Funktionsmodule integriert ist. b Blockschaltbild und Funktionsprinzip des integrierten Sensorsystems. c–e CV- und GCD-Kurven der MSC-Einheit bei verschiedenen Scanraten (c) und Stromdichten (d) mit aus CV (oben) und GCD (unten) berechneter Flächenkapazität (C/A), dargestellt in e. f Ragone-Diagramme stellen den Vergleich der Flächenenergie und Leistungsdichte dieser Arbeit mit anderen gemeldeten MSC-Systemen dar. Weitere Vergleichsinformationen finden Sie in der Ergänzungstabelle 6. g Dynamische elektrische Reaktionen des MXene-Temperatursensors im Bereich von 20–55 °C. h Normalisierte Widerstandsreaktionen bei Kontakt und Entfernung von der Handfläche. Einschub: Die elektrische Reaktion ändert sich bei unterschiedlichen Kontaktzeiten. i Elektrische Reaktionsänderungen des MXene-Feuchtesensors unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen. j Zyklische dynamische elektrische Reaktions- und Erholungskurven, gemessen von 20 % RH bis 80 % RH. Einschub: die Reaktionszeit.
Daher haben wir die Energiespeichereigenschaften des direkt bei Raumtemperatur gedruckten MXene MSC-Moduls bewertet. Ein einzelnes MSC-Gerät (interdigitierter Fingerabstand ~200 µm, ergänzende Abbildung 29a) mit PVA/H3PO4-Gel als halbfestem Elektrolyten zeigt ein kapazitives Ladungsspeicherverhalten, wie im quasi-rechteckigen zyklischen Voltammogramm (CV) zu sehen ist. Form und quasilineare galvanostatische Lade-Entlade-Kurven (GCD) bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten (Abb. 5c, d). Die über CV und GCD erhaltenen Flächenkapazitäten sind vergleichbar (Abb. 5e) und erreichen bis zu ~900 mF cm−2, was die Werte früherer Berichte über gedruckte planare MSCs übersteigt (ergänzende Abb. 29b und Tabelle 5)12. Abbildung 5f vergleicht die Ragone-Diagramme verschiedener MSC-Geräte. Die berechnete Flächenenergiedichte und Leistungsdichte unseres MXene MSC betragen bis zu 9,7 µW h cm−2 bzw. 1,875 mW cm−2 und sind damit um Größenordnungen höher als die planarer MSCs (Ergänzungstabelle 6). Durch die Gestaltung der Konfiguration (seriell/parallel) von extrusionsgedruckten MXene MSC-Einheiten kann ein Modul realisiert werden, das unterschiedliche Leistungs-/Energieanforderungen erfüllt. Elektrochemische Charakterisierungen bestätigen außerdem, dass im 7-gedruckten MXene MSC-Modul innerhalb von 3 V (ergänzende Abbildung 29c – g) eine schnelle Ladungsübertragungskinetik und zufriedenstellende Zyklen (~ 90 % nach 3000 Zyklen) erreicht wurden, was das Mikronetz mit Strom versorgen kann Systeme36, wie LEDs oder ähnliches (Ergänzende Abb. 29h).
Anschließend untersuchten wir die Erfassungsleistung dieses integrierten Systems (Ergänzende Abbildungen 30 und 31). Aufgrund seines großen Wärmeausdehnungskoeffizienten neigt das PDMS-Substrat dazu, sich mit steigender Temperatur auszudehnen, was zu einer Dehnung des MXene-Leiternetzwerks und einer Änderung der entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit führt37. Wie in Abb. 5g gezeigt, zeigt unser MXene-Temperatursensor ein positives Temperaturkoeffizientenverhalten (Empfindlichkeit von ~ 0,066 % °C−1) mit der Fähigkeit, schnell auf Temperaturänderungen zu reagieren (Abb. 5h und ergänzende Abb. 32). Für den Feuchtigkeitssensor wurde ein dünner MXene-Film als Feuchtigkeitssensorschicht verwendet (ergänzende Abbildung 33), da MXenes eine starke elektrische Variation bei der Vergrößerung des Zwischenschichtabstands der Nanoblätter zeigt, wenn sie feuchten Bedingungen ausgesetzt sind 38 (Abb. 5i). Während des zyklischen Feuchtigkeitstests wurde eine wiederholbare und stabile Widerstandsschwankung (Reaktionszeit von ~25 s) beobachtet (Abb. 5j). Als Funktionsdemonstration zeigt Zusatzfilm 6 den Betriebsprozess des integrierten Sensorsystems zur drahtlosen Überwachung der T/H-Mikroumgebung der Anlage. Die schnelle Reaktion könnte auf eine vielversprechende Anwendung vollständig MXene-gedruckter integrierter Systeme in der Smart-Sensing-Landwirtschaft hinweisen.
Dies ist der erste Versuch, vollständig auf MXene gedruckte drahtlose Sensorelektronik bei Raumtemperatur herzustellen, mit vielversprechender vorläufiger Leistung im Energie-/Datenübertragungs-/Sensorverhalten gepaart mit ausgezeichneter mechanischer Robustheit. Wir sind davon überzeugt, dass es noch viel Raum für Leistungssteigerungen gibt. Im Hinblick auf die MSCs sind verschiedene Strategien, wie die Optimierung des gedruckten Spalts und der Dicke, die Anpassung der Oberflächenchemie und die Verwendung asymmetrischer Konfigurationen, vielversprechende Wege, um ihre Ladungsspeichereigenschaften und Energie-/Leistungsdichten weiter zu verbessern8,12,22. Was die Sensorfunktionen betrifft, kann das bestehende T/H-Modul durch Strukturdesign oder Nanomaterialmodifikationen weiter optimiert werden39. Wenn man bedenkt, dass die vielfältige MXene-Familie aus mehr als 30 vielseitigen Mitgliedern bestand und immer noch schnell wächst, könnte eine fortschrittlichere MXene-basierte drahtlose Elektronik ermöglicht werden, indem man sich entweder für neuartige MXene-Tinten und/oder die boomenden Druck-/drahtlosen Technologien40,41 entscheidet oder die Energiespeichergeräte variiert (wie flexible Batterien, Solarzellen, TENGs usw.)42/Sensormodule (wie flexible chemische, physikalische und biologische Sensoren)43,44 usw.
Zusammenfassend haben wir erstmals über den hochpräzisen Druck flexibler drahtloser Elektronik bei Raumtemperatur mit zusatzfreier wässriger MXene-Tinte berichtet. Aufgrund der wünschenswerten rheologischen und elektrischen Eigenschaften der Tinte eignen sich unsere MXene-Tinten hervorragend für den hochpräzisen Extrusionsdruck auf verschiedenen ebenen/gekrümmten Substraten ohne Glühen. Sie weisen eine metallische Leitfähigkeit (bis zu 6900 S cm−1) und einen ultraschmalen Drucklinienabstand (3 μm) auf. und hohe räumliche Gleichmäßigkeit (innerhalb von 0,43 %) in den gedruckten Spuren. Insbesondere der ultraschmale gedruckte Linienabstand stellt den hochmodernen Direktdruck unter Verwendung von Nanomaterialien bei Raumtemperatur dar und stellt das hocheffiziente Drucken von Elektronik mit hoher Packungsdichte dar. Mit diesem Ansatz können einzelne Hochleistungsmodule einfach hergestellt oder in andere elektrische Komponenten integriert werden, was vielversprechend ist, wenn es darum geht, einige umständliche Elektroschrott-Elektronikgeräte wie kommerzielle Antennen zu ersetzen.
Als konzeptionelle Ausstellung zeigten wir ein vollständig aus MXene gedrucktes monolithisches, flexibles integriertes System, das gleichzeitige drahtlose Energiegewinnung, Datenübertragung und T/H-Erkennung ermöglicht. Diese Druckstrategie bei Raumtemperatur zeigt ein enormes Anwendungspotenzial für die flexible Elektronikfertigung in verschiedenen Bereichen wie IoTs, Smart Labels, intelligente Verpackungen, Umweltüberwachung, Landwirtschaftssensorik, Gesundheitswesen, 5G usw. Mit Blick auf die Zukunft gehen wir davon aus, dass diese Arbeit zu weiteren Erkundungen anregen wird einfach zu integrierende druckbare Komponenten und beschleunigen den Fortschritt gedruckter flexibler, tragbarer Elektronik.
Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.
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Diese Forschung wurde vom National Science Fund for Excellent Young Scholars of China (Grant No. 31922063) und den Fundamental Research Funds for the Central Universities unterstützt. Wir danken dem ETH-Rat für die Unterstützung und den Empa-internen Forschungsausschreibungen (IRC-cupsupercap 2019, IRC-NitfixMX 2020). Wir danken X. Li, G. Xu und Q. Liu für hilfreiche Diskussionen sowie D. Li, H. Dong und J. Xie für ihre Unterstützung bei der Geräteherstellung und -messung. Wir danken dem State Key Laboratory of Modern Optical Instruments und dem Analysis Center of Agrobiology and Environmental Sciences der Zhejiang University für die technische Unterstützung.
Labor für Agrarinformationsintelligenz, Fakultät für Biosystemtechnik und Lebensmittelwissenschaft, Zhejiang-Universität, 310058, Hangzhou, China
Yuzhou Shao, Xinyue Wu, Chengmei Jiang, Yao Yao, Bo Peng, Han Chen, Yibin Ying und Jianfeng Ping
Labor für angewandte Forschung zur Elektromagnetik, Zhejiang-Universität, 310027, Hangzhou, China
Lusong Wei und Jiangtao Huangfu
Hochschule für Materialwissenschaft und -technik, Sichuan-Universität, 610065, Chengdu, Sichuan, China
Chuanfang John Zhang
Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), ETH-Bereich, 129 Überlandstrasse, CH-8600, Dübendorf, Schweiz
Chuanfang John Zhang
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YS, YY, JP und CZ haben das Projekt und die Experimente entworfen. YS, CZ, CJ und Y.Yao führten Experimente zur Materialsynthese, Tintenentwicklung und Charakterisierung durch. YS, CZ, BP und HC stellten die gedruckten Geräte her, führten die Messungen durch und analysierten die Daten. SW und JH halfen beim HF-Design und den Softwaresimulationen. XW führte den Schaltungsentwurf und die Messungen durch. YS, JP und CZ haben das Manuskript geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft und kommentiert.
Korrespondenz mit Yibin Ying, Chuanfang John Zhang oder Jianfeng Ping.
Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.
Nature Communications dankt Se Hyun Kim und den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.
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Nachdrucke und Genehmigungen
Shao, Y., Wei, L., Wu, X. et al. Hochpräziser Druck flexibler drahtloser Elektronik bei Raumtemperatur auf Basis von MXene-Tinten. Nat Commun 13, 3223 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30648-2
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Eingegangen: 24. November 2021
Angenommen: 05. Mai 2022
Veröffentlicht: 09. Juni 2022
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30648-2
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