في روسيا، تم إعداد طابعة لطباعة الدوائر الدقيقة بدون حبر ومذيبات للإنتاج الضخم.

أحد العوامل الرئيسية في التطور السريع للإلكترونيات المطبوعة هو انخفاض تكاليف الإنتاج مقارنة بالتقنيات التقليدية القائمة على الطباعة الحجرية. تعد الطباعة الحجرية الضوئية التقليدية عملية معقدة ومتعددة الخطوات ومكلفة، تشبه عملية تطوير الصور الفوتوغرافية، ويتم إنتاجها فقط على رقاقة السيليكون. فهو يتطلب غرفًا نظيفة ووحدات تفريغ ومواد كيميائية قاسية واستهلاكًا هائلاً للمواد. تتطلب تقنيات الإضافة البديلة – إنشاء كائن وفقًا لنموذج إلكتروني عن طريق إضافة المكونات الضرورية طبقة تلو الأخرى – مواد وعمليات أقل بكثير. لكن جميع الطرق المعروفة تتضمن استخدام الجسيمات النانوية أو المحاليل الأولية في الحبر لتكوين بنى مجهرية. بعد الطباعة، يجب إزالة هذه المذيبات ببطء (تجفيف المنتج)، ثم يتم تنفيذ عملية إطلاق بدرجة حرارة عالية لإزالة البوليمرات المتبقية، وكذلك دمج الجسيمات النانوية في مسار موصل مستمر. لا تستغرق هذه العملية وقتًا فحسب، بل تؤدي أيضًا في كثير من الأحيان إلى تلوث الشريحة بمنتجات تحلل المواد المضافة، مما قد يؤثر على خصائصها الكهربائية والميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، فإن عملية تحضير الحبر نفسها تتطلب عمالة مكثفة: يجب أن تكون متجانسة تمامًا ومستقرة ولها اللزوجة المطلوبة، مما يحد بشكل خطير من اختيار المواد المتاحة. يتطلب الطلب المتزايد على جودة الأجهزة الإلكترونية الدقيقة وتنوعها أساليب مبتكرة لتصميم وإنشاء مكونات عالية الدقة من خلال زيادة تعقيد بنية الجهاز وتصغير العناصر. يعتمد النهج الجديد لعلماء MIPT على تخليق الجسيمات النانوية في تفريغ الغاز النبضي، ونقلها في تدفق الغاز، والترسيب المركز والتلبيد باستخدام إشعاع الليزر، مما يلغي الحاجة إلى المذيبات والمواد المضافة الوظيفية. وهذا يجعل من الممكن إنشاء هياكل مجهرية نقية دون مزيد من المعالجة ويفتح فرصًا واسعة لإدخال طباعة الهباء الجوي الجاف في العمليات التكنولوجية للإلكترونيات الدقيقة. تم نشر العمل في مجلة العمليات الفيزيائية والكيميائية في الأنظمة الذرية. تم دعم الدراسة من قبل وزارة العلوم والتعليم العالي في الاتحاد الروسي (المشروع رقم 075-15-2024-560). “جهازنا، على عكس نظائره، لا يتطلب تخزين الحبر والمعالجة اللاحقة للهياكل. بدا التخلي عن استخدام الأحبار التقليدية والتحول إلى معالجة الجسيمات النانوية الجافة في البداية حلاً غير واضح، حيث أن تخليق الجسيمات النانوية باستخدام طريقة تفريغ الغاز أنتج تكتلات من الجسيمات النانوية. عند استخدامها في الطباعة، كانت الهياكل ذات مسامية عالية، مما حد من استخدام الجهاز ولم يسمح بإنشاء مسارات مطبوعة عالية التوصيل. للتغلب على “هذا، كان من الضروري تقديم طريقة فعالة لمعالجة التكتلات، مما يسمح بتحويلها إلى جسيمات نانوية كروية في الوقت الحقيقي. ونتيجة لذلك، تجمع الطابعة لدينا بين أربع عمليات تقنية يتم تنفيذها بشكل تسلسلي: توليد الجسيمات في تفريغ الغاز النبضي، وتعديل شكلها وحجمها بالليزر، وتركيز شعاع الهباء الجوي، وأخيرًا تلبيد الجسيمات النانوية بالليزر على الركيزة. وقال معهد MIPT لتقنيات الكم عن هذا العمل. العنصر الرئيسي للتركيب الجديد هو مولد الجسيمات النانوية الذي يعمل على أساس تفريغ الغاز النبضي: يتم شحن المكثف بشكل دوري بجهد يبلغ 4 كيلو فولت ثم يتم تفريغه من خلال فجوة بين الأقطاب الكهربائية مملوءة بغاز خامل. تردد مثل هذه التصريفات حوالي 600 مرة في الثانية. تبلغ سعة التيار في التفريغ 300-1000 أمبير، ولا يتدفق بشكل موحد، ولكن من خلال العديد من قنوات البلازما الرفيعة جدًا – مئات “النقاط الساخنة” المجهرية على سطح الأقطاب الكهربائية. في كل نقطة من هذه النقاط، يصل حجمها إلى 20 ميكرومترًا، تكون كثافة التيار هائلة، مما يؤدي إلى تدمير متفجر للنتوءات الدقيقة على القطب. ونتيجة لذلك، تنفصل قطرات صغيرة من المعدن المنصهر فعليًا عن القطب وتتكثف إلى جسيمات نانوية يتراوح حجمها بين 5 و15 نانومتر. يتم نفخ تدفق من الغاز الحامل الخامل (الأرجون) بشكل مستمر عبر غرفة التفريغ، مما يؤدي إلى احتجاز الجزيئات المصنعة حديثًا معه. المرحلة التالية هي التركيز. تدخل الجسيمات النانوية الكروية، المحبوسة بتدفق الغاز الحامل، إلى الفوهة. يتم توفير غاز التركيز حول القناة المركزية مع الهباء الجوي تحت ضغط مرتفع. فهو يضغط تيار الهباء الجوي، مما يقلل من قطره. ومن خلال تغيير نسبة تدفقات الغاز وقطر مخرج الفوهة، يستطيع العلماء ضبط عرض الخط المطبوع. تتم الطباعة داخل حجرة مفرغة عند ضغط حوالي 40 مليبار، مما يلغي مقاومة الهواء ويمنع الشعاع من التوسع قبل الأوان. هذه هي الطريقة التي تظهر بها خطوط يبلغ عرضها عشرات الميكرومترات على الركيزة. يبلغ عرض المسار الذهبي 39.1 ميكرومترًا فقط. ويبلغ سمك هذا حوالي نصف سمك شعرة الإنسان / © العمليات الفيزيائية والكيميائية في الأنظمة الذرية وأخيرًا، اللمسة الأخيرة هي التلبيد بالليزر. على عكس فرن التلدين التقليدي، الذي يمكن أن يذيب أو يتلف ركائز البوليمر الحساسة، فإن نبضات النانو ثانية الليزرية الخضراء تسخن فقط الجسيمات النانوية نفسها، ولا تترك أي تأثير تقريبًا على الركيزة. يتم توجيه شعاع الليزر إلى منطقة الطباعة بزاوية، بحيث يحدث التلبيد مباشرة أثناء ترسيب الجسيمات. يحل هذا الأسلوب مشكلة عدم التجانس: عند طباعة طبقة سميكة، يمكن للجزيئات العلوية أن تحجب الجسيمات السفلية عن الليزر. ولكن إذا قمت بتلبيد كل طبقة أثناء تطبيقها، فستحصل على بنية متجانسة وكثيفة وعالية التوصيل. أظهرت التجارب أنه عند الطباعة متعددة الطبقات لهياكل الفضة النانوية، فإن مقاومتها تصل إلى 2.2 مرة فقط من مقاومة الفضة البلورية – وهي نتيجة ممتازة للتكنولوجيا المضافة. في طبقة سميكة ملبدة في وقت واحد، تكون عدم التجانس القوي والمسامية مرئية، في حين أن الطباعة متعددة الطبقات مع تلبيد متوسط ​​يعطي بنية متجانسة / © العمليات الفيزيائية والكيميائية في الأنظمة الذرية. تحتوي الطابعة أيضًا على أوضاع تشغيل إضافية تعمل على توسيع إمكانيات تطبيقها بشكل كبير. وبالتالي، فإن التثبيت دون تشغيل نظام التلبيد بالليزر يتحول إلى أداة لإنشاء الهياكل النانوية البلازمونية. إذا قمت بإيداع جسيمات نانوية كروية غير ملبدة، ولكن ببساطة على الركيزة (بعد المرور عبر مُحسِّن الليزر)، فإنها تشكل طبقة يمكن إزالتها بسهولة بقطعة قماش جافة عادية. هذه الخاصية مهمة جدًا لمطياف رامان (SERS)، وهي طريقة تسمح للشخص بالعثور على جزيئات فردية من مادة ما باستخدام إشارة ضعيفة للغاية. يمكن للجسيمات النانوية من المعادن النبيلة (الذهب والفضة) أن تعمل كهوائيات صغيرة تعمل على تضخيم إشارة رامان ملايين المرات. ولكن المشكلة هي أن ركائز الفضة تتأكسد بسرعة في الهواء، ومدة صلاحيتها محدودة. تعمل طابعة الأيروسول الجديدة على حل هذه المشكلة بشكل جذري: فهي تقوم بإنشاء بنية بلازمونية مباشرة على الكائن قيد الدراسة في وقت التحليل. تفتح هذه الطريقة فرصًا جديدة للتحليل السريع للسوائل البيولوجية والتشخيص الطبي وحتى فحص الطب الشرعي. يستخدم وضع التشغيل الثالث للطابعة تكتلات الجسيمات النانوية الأصلية غير المعالجة بالليزر. تعد مساحة سطحها المحددة الضخمة وبنيتها المسامية من الصفات المثالية لأجهزة استشعار الغاز. وبالتالي، فإن النموذج الأولي الذي تم إنشاؤه في MIPT يجعل من الممكن طباعة مسارات موصلة، وأقطاب كهربائية، وعناصر حثية، بالإضافة إلى إنشاء طبقات تحفيزية وهياكل بلازمونية على نفس المعدات، دون استخدام السوائل ومع الحد الأدنى من المعالجة اللاحقة. بدلاً من دورة الطباعة الضوئية الطويلة مع عشرات العمليات، باستخدام التثبيت الجديد، يمكنك “رسم” دائرة كهربائية دقيقة في غضون دقائق. “إن طريقتنا ذات صلة بتكوين العناصر الإلكترونية الدقيقة السلبية والطبقات البلازمونية للأجهزة الإلكترونية البصرية وأجهزة الاستشعار الدقيقة والهياكل الحفزية. ولكن الأهم من ذلك، أننا نزيل خطر تلوث الهيكل المشكل بالأملاح من تحلل مثبتات التشتت أو مكونات الحبر الأخرى، والتي يمكن أن تقلل من الخصائص الفيزيائية الكهروفيزيائية والميكانيكية للجهاز النهائي. في الوقت الحالي، أكملنا إنتاج نموذج أولي، وتم إكمال اختبارات قبول الحالة بنجاح ونحن على استعداد لوضع منتجنا “في الإنتاج التسلسلي” ، اختتم فلاديسلاف بوريسوف.