Rachaduras ocas em ziguezague do filme de nanopartículas de prata reguladas por seu microambiente de secagem

Resumo

Primeiro verificamos o impacto crítico da evaporação na formação de rachaduras ocas em zigue-zague, regulando o microambiente de secagem do filme de nanopartículas de prata. A evaporação desigual e a segregação de componentes contribuem para os fluxos ao longo da superfície e no interior das gotículas. A distribuição assimétrica da concentração de vapor é capaz de enfraquecer o fluxo superficial das gotículas, suprimindo assim a tensão compressiva interna das nanopartículas e levando a uma morfologia de superfície com menos rachaduras. Embora o filme de nanopartículas sem defeitos e com superfície lisa depositado por um método baseado em solução permaneça um grande desafio, nosso trabalho tem significado referencial para otimizar filmes de nanopartículas de alta qualidade com processos de deposição e cura apropriados. Além disso, uma possibilidade de otimização por meio do microambiente de secagem deve ser considerada em aplicações de ponta devido ao seu efeito aprimorado em padrões de alta resolução.

Introdução

As tintas precursoras (prata, ouro, cobre, etc.) são compatíveis com fabricação flexível devido à sua baixa temperatura de processamento (<200 ° C) [1]. No entanto, o problema de trinca permanece sem solução e irá deteriorar as propriedades de condutividade e adesão do filme depositado [2]. Vale a pena explorar mais o mecanismo subjacente, enquanto a maioria dos relatórios anteriores se concentra em alguns efeitos externos, como laser [3], luz pulsada intensa [4] e íons [5]. A natureza da evaporação desigual é subestimada até certo ponto, embora o efeito do anel do café tenha sido comprovado em vários estudos [6]. O fluxo de evaporação rápido da área periférica e a pinagem da linha tripla contribuem para o fluxo de compensação para fora dentro das gotículas. Consequentemente, o fluxo de superfície direcional pode ser induzido com a segregação de componentes [7].

Dinâmica de evaporação, redução química, regulação microfluídica e montagem de nanopartículas foram discutidas aqui para alcançar uma compreensão abrangente do processo de formação de fissuras. Para explorar o impacto crítico do microambiente de secagem na formação de rachaduras ocas em zigue-zague, o efeito do anel do café é potencializado pela formulação da tinta, de modo a (1) conduzir as nanopartículas para a área periférica e torná-las automontadas para formar o filme de superfície, (2) promove a formação de trincas aumentando a tensão compressiva, (3) aumenta a pressão do ar entre duas gotículas vizinhas, o que evita sua coalescência e leva a um fenômeno de autocompensação, tornando a distância dos limites das gotículas curto o suficiente para apresentar o efeito óbvio do microambiente de secagem.

A regulação do microambiente de secagem prova diretamente a estreita relação entre a formação de fissuras e a evaporação do solvente. Tem certas inovações e vantagens na determinação do impacto crítico da evaporação na formação de fissuras superficiais, enquanto outros fatores são controlados para permanecerem inalterados. De acordo com o mecanismo proposto, o filme úmido curado sem a formação de rachaduras foi obtido aqui aumentando a redução química, ou reduzindo o tamanho das gotas usando a tecnologia de impressão a jato de tinta. Este trabalho tem significado referencial para otimizar filmes de nanopartículas de alta qualidade depositados usando métodos baseados em solução.

Materiais e métodos

Acetato de prata (2,5 g), álcool etílico (EA, 3 ml) e octilamina (OA, 3 ml) são misturados com agitação à temperatura ambiente durante 2 h. A tinta preparada é filtrada (0,22 μm) antes de usar. O substrato de vidro é limpo com água DI, isopropil e tetra-hidrofurano em uma máquina de limpeza ultrassônica por 10 minutos em sequência. Uma seringa com um diâmetro de bico de 0,25 mm é usada para liberar as gotas ( d ~ 5 mm) (Fig. 1a). O aumento do tempo de secagem de gotas grandes ( t _secagem ~ r ² ) torna a observação mais fácil. Placa quente e equipamentos UV (IntelliRay 600 W, Uvitron, EUA) são usados para promover a redução química com diferentes dinâmicas de evaporação. O equipamento UV é equipado com filtro de luz, que elimina seu efeito hidrofílico. A morfologia da superfície foi observada com um microscópio óptico de até 1000 × (Nikon Eclipse E600 POL) e um microscópio eletrônico de varredura (SEM, NOVA NANOSEM 430) instalado com um módulo de espectrômetro de raios-X dispersivo de energia (EDS).

Processo de formação de fissuras. a Gota liberada por uma seringa. b Esquema dos fluxos direcionais induzidos. c , d , e As gotas liberadas são seguidas por ciclos de irradiação UV. f Esquema de diferentes morfologias para diferentes regiões

Resultados e discussão

O efeito do anel de café e o fluxo de Marangoni induzido são descritos esquematicamente na Fig. 1b. A relação OA / EA aumenta na área periférica, por conta da maior taxa de evaporação, bem como da maior tensão superficial e ponto de ebulição do OA (28 dyn / cm, 176 ° C) do que EA (22 dyn / cm, 78 ° C). A diferença de tensão superficial resulta em um fluxo de Marangoni para fora. Três regiões diferentes (I, II e III) aparecem após 2 ciclos de irradiação UV (60 s / ciclo) (Fig. 1c). Os intervalos de cada ciclo são usados para remover o efeito térmico. Os solutos agregam-se na região I devido ao fluxo de compensação para fora e são solidificados logo devido à forte evaporação. As regiões II e III são suspensões de nanopartículas, mas a última é mais esparsa. Mais ciclos de irradiação tornam a região III transformada de ondulações (3 ciclos) em fissuras (10 ciclos), enquanto a região II é rugosa e a região I se mantém lisa (Fig. 1d, e). A propriedade de adesão é seriamente deteriorada quando as rachaduras são formadas. A Figura 1f descreve esquematicamente o mecanismo subjacente. Nanopartículas monodispersas (arquivo adicional 1:Figura S1) tendem a se auto-montar e formar um filme de superfície compacto devido ao fluxo de Marangoni para fora, a evaporação que impulsiona a força e a tensão superficial (grande área de superfície específica). A espessura do filme diminui da região I para III, fazendo com que as deformações aumentem sob o estresse compressivo, e mesmo ondulações radiais podem ocorrer. O filme da superfície periférica suprime a evaporação do líquido subjacente, assim o fluxo de compensação é revertido, levando à queda do nível do líquido e induzindo uma tensão compressiva na direção da corda.

Filmes processados em solução curados por irradiação UV têm o efeito do anel de café mais fraco devido à sua taxa de evaporação moderada do que os tratados termicamente [8]. Contribui para a diferença na formação dos filmes superficiais (Fig. 2a). O efeito térmico deve ser considerado quando o filme úmido é continuamente irradiado com UV por 5 min, resultando em ondulações em forma de zigue-zague na área periférica (Fig. 2b). A deformação na direção da corda se origina do aumento da tensão de compressão radial, que é induzida pelo aumento do fluxo superficial para fora e pela diferença de evaporação. Ondulações em forma de ziguezague mais regulares podem ser observadas quando uma temperatura moderada é aplicada ao substrato ( T _s =60 ° C). A independência do tempo de sinterização (5 a 15 min) das ondulações demonstra sua formação antes de serem completamente solidificadas (Fig. 2c). A película fina de superfície suportada por líquido é facilmente deformável sob a tensão compressiva e geram rachaduras ao longo das ondulações (Fig. 2d). Conforme o processo de secagem continua, o fluxo de compensação reverso deixará uma topografia oca de ondulações, que pode ser evidenciada pela varredura da área de EDS em busca do elemento de prata.

Rachaduras ocas em ziguezague. a Esquema da diferença entre irradiação UV e tratamento térmico para a formação de filme de nanopartículas de superfície. b Ondulações em zigue-zague obtidas com irradiação UV por 5 min. c Ondulações mais regulares obtidas em um substrato de vidro aquecido a 60 ° C por 5 a 15 min. d Medições SEM-EDS

O impacto crítico da evaporação na formação de fissuras foi discutido acima. O microambiente de secagem é capaz de regular a distribuição do fluxo de evaporação, que é estudado em profundidade em nosso relatório anterior [9, 10] e, portanto, também pode ter um impacto na formação de trincas. Com base no modelo simplificado de difusão de vapor de evaporação de solvente ( c _ρ = rc ₀ / ρ ), um mapa de cores da concentração de vapor ( c ) podem ser desenhados para descrever as influências do microambiente de secagem na evaporação de duas gotas vizinhas (Fig. 3a). O fluxo de evaporação assimétrico pode ser alcançado quando outra gota é liberada nas proximidades. Uma distância mais próxima dos limites das gotas suprime a evaporação e o fluxo superficial [11] (Arquivo adicional 1:Figura S2), reduzindo assim a tendência de formação de ondulações, principalmente em zigue-zague. O fluxo da superfície externa aumenta a pressão do ar entre as gotas, tornando-as auto-alinhadas para atingir uma curta distância de apenas dezenas de mícrons. Mesmo sem ondulações formadas na região mais próxima, o comprimento da ondulação aumenta e, finalmente, recupera a forma de zigue-zague com o aumento da distância dos limites das gotas (Fig. 3b, c). A área da região periférica lisa aumenta devido ao maior tempo para redução e agregação das nanopartículas antes de serem automontadas para formar um filme espesso sob a premissa de supressão de evaporação. Além disso, o efeito de supressão é mais aparente para a primeira gota, que é liberada 60 s antes da segunda. A película de superfície formada anteriormente da primeira gota diminui seu efeito de evaporação no microambiente de secagem da segunda gota, enquanto a evaporação das segundas gotas influenciará todo o processo de formação de ondulação da primeira gota.

Rachaduras ocas em ziguezague reguladas por seu microambiente de secagem. a Mapa de cores do microambiente de secagem baseado no modelo mais simples de difusão de vapor. b Efeito do microambiente de secagem em duas gotas posteriormente liberadas a uma curta distância. c Ondulações mudam da região mais próxima para a região mais distante de duas gotículas vizinhas

Deve-se enfatizar que a regulação do microambiente de secagem não só atua como um método para suprimir trincas ocas em zigue-zague, mas também prova diretamente a estreita relação entre a formação de trincas e a evaporação do solvente. Este trabalho tem significado referencial para otimizar filmes de nanopartículas de alta qualidade, especialmente para tintas precursoras. Quando as gotas ainda são liberadas pela seringa, as rachaduras podem ser facilmente removidas aumentando a taxa de redução química sob a premissa de que a evaporação é menos afetada (Arquivo adicional 1:Figura S3). Uma fina película superficial sobre o líquido, que pode ser facilmente deformada, pode se formar sob a ação da evaporação, quando as nanopartículas reduzidas são poucas. Portanto, a redução química acelerada tornará a concentração de soluto alta o suficiente para formar um filme espesso de nanopartículas superficiais auto-montadas e, então, evitar a formação de rachaduras. Outra forma eficaz de lidar com as rachaduras pode ser obtida reduzindo o tamanho das gotas (Arquivo adicional 1:Figura S4). A impressão a jato de tinta é uma técnica potencial para depositar filme úmido que consiste em pequenas gotículas (diâmetro de ~ 50 µm). Filmes impressos a jato de tinta usando o mesmo sistema de tinta podem ser solidificados sem ondulações e rachaduras, até mesmo curados em alta temperatura de 100 ° C por 30 min, aproveitando as vantagens de [1] o processo de solidificação mais rápido, [2] a taxa de evaporação local mais fraca , [3] os fluxos de fluido mais fracos, [4] a concentração local de soluto mais alta e [5] o microambiente de secagem alterado de cada gota.

Conclusão

O impacto crítico da evaporação na formação de fissuras de filmes de nanopartículas processadas em solução foi estudado considerando vários aspectos. A espessura do filme de superfície suportado por líquido formado durante o processo de solidificação tem uma grande influência na topografia sob tensão compressiva. O tamanho e a forma das ondulações podem ser continuamente regulados alterando seu microambiente de secagem. Este trabalho fornece uma maneira viável de suprimir com precisão as rachaduras superficiais e pode ter significado referencial para otimizar filmes de nanopartículas de alta qualidade depositados usando métodos baseados em solução.

Abreviações

DI:: Deionizada
EA:: Álcool etílico
EDS:: Espectrômetro de raios-X de dispersão de energia
OA:: Octilamina
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
UV:: Ultravioleta

Na camada de propagação de corrente p-AlGaN / n-AlGaN / p-AlGaN para diodos emissores de luz ultravioleta profunda à base de AlGaN Efeitos tóxicos induzidos por nanopartículas de zircônia em células 3T3-E1 semelhantes a osteoblastos

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias