基于MXene墨水的室溫高精度柔性無線電子產品印刷
【導讀】
印刷電子技術的進步不斷刺激著可穿戴和柔性設備的可擴展和可持續制造。與傳統的減法工藝不同，直接墨水打印為快速、大規模的制造提供了一個可行的替代方案，因為它相對簡單，成本效益高，而且有理想的材料兼容性和利用率。然而，在室溫下制造柔性電子器件方面，現有的印刷方法還遠遠不夠理想。主要的障礙來自墨水配方和印刷工藝。大多數可打印的墨水（金屬或碳基）要么存在復雜的墨水配方（需要表面活性劑/流變修飾劑/黏合劑），不令人滿意的內在物理性能（即，導電性差），或需要長時間的后處理（即，高溫退火以去除添加劑）。這些問題使設備的制造過程復雜化，排除了低成本的聚合物基材選擇，同時影響了設備的印刷精度和后續的性能。另一方面，柔性電子器件（尤其是各種無線多功能系統）的結構復雜性不斷增加，對直接墨水印刷技術提出了更高的要求，尤其是高精度保形印刷和多模塊集成制造，以避免耗時繁瑣的轉移和組裝過程。
一種有前途的方法是將無添加劑的水性導電墨水與擠壓印刷技術相結合。與其他打印方法相比，擠壓打印允許高通量的增材制造，無需額外的掩模和附件，在材料/基材選擇和打印擴展性（從共面到三維）方面提供了更多的機會。然而，雖然無添加劑的水性導電墨水已被證明在簡化墨水配方和消除后處理方面很有前途，但要賦予功能性墨水適當的流變學和電氣性能以實現室溫下的柔性無線電子產品的制造，仍然是一個挑戰。在這方面，新興的二維過渡金屬碳化物和氮化物（MXenes）擁有功能墨水所需的獨特性能（即金屬導電性、親水性和負表面電荷），提供了新的可能性。特別是Ti3C2Tx，作為研究最廣泛的MXene，允許在沒有任何添加劑的情況下形成穩定的無添加劑水性膠體分散體，因此已被應用于不同的設備，如電池、微型超級電容器（MSCs）、三電納米發電機（TENGs）、晶體管和傳感器等。然而，當涉及制造柔性無線電子產品時，在室溫下，基于MXene墨水的具有超高導電性的元件線的精細印刷方面幾乎沒有成功。此外，到目前為止，全印刷無線設備的多模塊集成印刷的可行協議還很少被報道。
【成果掠影】
近日，浙江大學平建峰教授、應義斌教授和四川大學張傳芳教授（共同通訊作者）等研究者報道了基于MXene墨水的柔性無線電子產品的室溫直接打印技術。研發的無添加劑的碳化鈦MXene水性墨水具有大的單層比率和窄的片狀尺寸分布，結合著墨水良好的流變特性，實現了間距低至3μm的高電導率MXene線條高精度打印。基于該打印技術，在室溫下制造了第一個全MXene打印的近場通信（NFC）天線，通過收集的電磁能量點亮數百個LED，展現了出色的能量傳輸能力。同時，制作了第一個用于無線溫度傳感的印刷柔性射頻識別（RFID）無源標簽，在人和植物局部溫度檢測中表現出高度的一致性和敏感性。最后演示了可實現溫度、濕度傳感和能量傳輸的柔性集成系統，展示了室溫直接 MXene 打印在大規模集成制造下一代可穿戴和柔性無線電子產品方面的巨大潛力。研究成果以題為“Room-temperature high-precision printing of flexible wireless electronics based on MXene inks”發布在國際著名期刊Nature Communication上。
【核心創新點】
從墨水配方和打印工藝兩方面切入，首次報道了使用無添加劑的 MXene 水性墨水實現了柔性無線電子設備的室溫高精度打印，解決了柔性電子產品直接打印技術的幾個重要的基礎問題：
1報道了高精度高效MXene墨水打印技術
文中報道的MXene墨水具有良好的流變特性，可實現超窄線間隙（3?μm）的打印，并且在打印軌跡中具有較高（在0.43%以內）的空間均勻性。同時， MXene墨水還具有優良的導電特性，電導率高達6900Scm-1。
2首次嘗試在室溫下制造全MXene打印的無線傳感電子設備，該系統能夠同時進行無線功率收集、數據傳輸和溫度和濕度感應，在能量/數據傳輸/傳感行為等方面展示了良好的性能。
【數據概覽】
1可擠壓印刷的MXene水性墨水
圖 1：可印刷的無添加劑 MXene 水性墨水的特性：a 室溫下直接印刷無添加劑的MXene水墨的示意圖； b Ti3C2Tx納米片的透射電子顯微鏡（TEM）圖像；c MXene墨水的原子力顯微鏡（AFM）圖像和相應的高度曲線；d MXene墨水的流變特性，其粘度是剪切率（頂部）和間隔剪切時間（底部）的函數；e MXene墨水的儲存模量（G′）和損失模量（G″）與剪切應力的關系；
2直接打印 MXene 墨水
圖 2：粘性 MXene 水性墨水的直接印刷：a 通過直接MXene打印制造的高分辨率集成電路的光學圖像；b 在曲面上打印的"ZJU "和 "EMPA "形狀的MXene圖形；c周期性打印的MXene線路的SEM圖像；d具有3?μm到25?μm不同間隙的MXene線條的SEM圖像；e 不同寬度MXene線的SEM圖像；f 圖e對應的寬度分布（頂部）和寬度差異（底部）；g 不同基底上的MXene薄膜的拉曼光譜；h MXene 薄膜的 SEM 圖像；i MXene薄膜的薄層電阻（紅色）和厚度（藍色）與印刷次數的關系；j MXene薄膜的電導率變化與印刷次數的關系；k MXene墨水的電導率（σ）和濃度（c）與其他報道的可印刷墨水系統的比較；
3全MXene打印的NFC設備
圖 3：MXene NFC 設備的演示：a 印刷的MXene NFC標簽的制造和機制，該標簽與智能手機進行無線通信并獲取其能量以點亮LED；b 在PDMS上制作的柔性NFC標簽的照片；c NFC天線在13.56MHz時的表面電流分布；d 模擬不同厚度的NFC天線的電阻和Q因子；e 彎曲的小尺寸NFC標簽的光學圖像和柔性天線在彎曲下的相應應變分布（插圖）；f 照片顯示，從支持NFC的智能手機傳輸到MXene NFC天線的電能能夠點亮168個平行的LED燈；g 兩個帶有發光LED的小型圓形（頂部）和方形（底部）MXene NFC標簽的光學圖像；h MXene NFC標簽的兩個應用實例，標準電子門鎖的門禁卡（左）和植物信息的識別標簽（右）；
4全 MXene 打印的 RFID 傳感系統
圖 4：MXene RFID 溫度傳感系統的演示：a PET（上）和PDMS（下）上尺寸為15mm×86mm的MXene偶極子天線的光學圖像；b 消聲室中的天線輻射方向圖測量；c MXene偶極子天線在920MHz時的模擬三維輻射方向圖；d 帶有筆記本連接的RFID閱讀器的MXene RFID溫度標簽的機制示意圖；e 使用安裝在葉片表面和植物根部的四個MXene RFID溫度標簽對葉片表面溫度進行局部監測（插圖）；f MXene RFID溫度標簽作為可穿戴的傳感器，監測人體腕帶（插圖）、額頭和胸部的表面溫度；
5 全MXene打印的柔性無線集成傳感系統
圖 5：柔性印刷集成無線傳感電子設備的演示：
a 無線傳感系統的示意圖，該系統集成了三個全MXen印刷的功能模塊；b 集成傳感系統的方框圖和工作原理；c 不同掃描速率下MSC單元的循環伏安圖（CV）；d 不同電流密度下MSC單元的電化學充電-放電（GCD）曲線；e 根據循環伏安圖（頂部）和電化學充電-放電曲線（底部）計算的面積比電容（C/A）；f Ragone圖展示了這項工作與其他報告的 MSC 系統的面積能量和功率密度的比較；g MXene 溫度傳感器在20–55?°C范圍內的動態電響應；h接觸和從手掌移開時的歸一化電阻響應；i MXene濕度傳感器在各種濕度條件下的電響應變化；j 從20% RH到80% RH測量的循環動態電響應和恢復曲線；
【成果啟示】
綜上所述，本文報道了使用無添加劑的MXene水墨在室溫下高精度打印柔性無線電子產品。理想的墨水流變學和電學特性使MXene墨水適用于在不同的平面/曲面基材上進行高精度打印（打印線條均勻，間距可小至3μm），無須退火即可表現出高的導電性（高達6900 S cm-1）。使用這種方法，獨特的高性能模塊可以很容易地單獨制造或與其他電氣元件集成。作為一個概念性的展覽，本文展示了一個全MXene印刷的單片柔性集成系統，可以同時進行無線電力采集、數據傳輸和溫度、濕度感應。這種室溫印刷策略在物聯網、智能標簽、智能包裝、環境監測、農業傳感、醫療保健、5G等不同領域中顯示了柔性電子制造的巨大應用潛力。
文章評論(0)