В лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур разработали оригинальный аэрозольный 3D-принтер

Фото. Сотрудники лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур (слева направо) Павел Арсенов, Булат Маснавиев, Алексей Ефимов и Денис Корнюшин около экспериментального образца аэрозольного 3D-принтера с лазерным ассистированием

Минувший 2019 год оказался особенно продуктивным для сотрудников лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ. Ими был разработан экспериментальный образец аэрозольного 3D-принтера с лазерным ассистированием и созданы научные основы новой технологии аэрозольной печати 3D-микроструктур. В одном устройстве интегрировали одновременно три процесса: получение, локальную доставку и локальное лазерное спекание наночастиц на подложке.

В отличие от традиционных методов формирования электронных изделий, предполагающих использование большего количества технологических операций с удалением значительной части материалов, разработанное оборудование и технология предполагают быстрое изготовление изделий методом послойного нанесения материала в форме наночастиц с его последующей монолитизацией, используя локальное лазерное спекание наночастиц на подложке. 

Новым является и использование «сухих» химически чистых наночастиц размером 2–20 нм. Их получают в импульсно-периодическом газовом разряде. Использование «сухих» химически чистых наночастиц размером 2–20 нм за счет размерного эффекта позволяет осуществлять процесс локального лазерного спекания при пониженных температурах и, таким образом, формировать принципиально новые электронные 3D-устройства на термочувствительных гибких полимерных подложках.

Алексей Ефимов , ведущий научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ, прокомментировал: «Уникальность разработанной нами технологии аэрозольной 3D-печати потоками наночастиц с локальным лазерным спеканием заключается в сочетании высокой разрешающей способности до 25 мкм, высокой массовой производительности до 300 мг/ч и низкой себестоимости формирования функциональных 3D-микроструктур, что будет определять дальнейший рост ее популярности». 

В сравнении с существующими подходами аддитивного изготовления микроструктур, предполагающими использование печатного оборудования и наночернил в качестве источников наночастиц, разработанная технология аэрозольной 3D-печати наночастицами с лазерным ассистированием имеет целый ряд преимуществ. Она обеспечивает более высокие значения удельной электрической проводимости и механической прочности микроструктур, так как «сухие» химически чистые наночастицы, полученные в импульсно-периодическом газовом разряде, не содержат на поверхности остатков растворителя и поверхностно-активных веществ. Важным преимуществом является и сокращение количества этапов изготовления функциональных микроструктур, поскольку не требуется готовить наночернила и затем сушить их перед лазерным спеканием. Получение, локальная доставка и локальное лазерное спекание наночастиц осуществляются одновременно. Пользователи имеют возможность гибко варьировать типы материалов (металлы, полупроводники и диэлектрики), размер, форму и плотности укладки наночастиц за счет изменения материала электродов и режимов получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде.

Разработанная технология и оборудование могут быть использованы для производства широкого спектра функциональных микроразмерных компонентов и изделий для электроники, фотоники, альтернативной энергетики, медицинской и аэрокосмической техники. В частности, для изготовления микроантенн, пространственных 3D-межсоединений, микронагревателей, активных (транзистор, диод) и пассивных (резистор, конденсатор) электронных компонентов, светоизлучающих устройств (гибкие дисплеи, ячейки OLED-матриц), элементов солнечных батарей и различных сенсоров: газовых, био-, температурных и других. 

Фото. Блок газоразрядной генерации аэрозольных наночастиц

Исследования выполнены совместно с АО «НИИ электронного специального технологического оборудования» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».