Doktorska disertacija
Brizgalno tiskanje in strukturno pogojene lastnosti feroelektričnih tankoplastnih struktur
Ogledi: 80 | Prenosi: 68
Povzetek
Brizgalno tiskanje je edinstvena alternativa konvencionalnim metodam oblikovanja funkcionalnih
struktur. Vendar zaradi obstoječih težav, povezanih z omakanjem in sušenjem,
nanašanje večjega števila prekrivajočih se plasti predstavlja velik izziv. Omakanje je odvisno
od površinskih lastnosti tekočine za tiskanje (črnila) in podlage. Lastnosti podlage
lahko spreminjamo z nanosom nekaj nanometrov debele plasti polimera, katerega kemijska
narava določa lastnosti novo formirane površine. Omakanje podlage s črnilom lahko
poljubno spreminjamo z nadaljnjo obdelavo tanke plasti polimera, v našem primeru polimetilmetakrilata,
z (i) delnim termičnim razpadom, (ii) obdelavo s kisikovo plazmo ali z
(iii) obdelavo z UV/O3. S časom obdelave lahko poljubno določimo kot omakanja, kar nam
omogoča tiskanje kompleksnih struktur z visoko ločljivostjo. Pri obdelavi polimerne plasti
s termičnim razpadom lahko kot omakanja spreminjamo le na površinah brez obstoječih
struktur, s preostalima dvema metodama pa tudi na predhodno strukturiranih površin.
Topila v črnilu vplivajo na omakanje izbrane podlage, na sušenje in na morfologijo tiskane
strukture po sušenju. Pristop k zmanjšanju pojava tako imenovanega kavnega roba
temelji na uporabi kombinacije topil z različnimi površinskimi napetostmi in hlapnostjo,
ki naj bi vplivala na razvoj tekočinskega toka. Vendar rekonstrukcija profilov kapljic med
sušenjem razkriva bistveno razliko v dinamiki kontaktnih linij, ko gre za črnila, s katerimi
tiskamo strukture z obliko kavnega roba (konkavne) ali z obliko kupole (konveksne). Konkavne
strukture nastanejo, kadar je med sušenjem kontaktna linija pripeta, konveksne pa,
kadar se kontaktna linija premika - v tem primeru lahko tiskamo tudi ravne strukture. Na
dinamiko kontaktne linije lahko vplivamo z izborom topil v črnilu in z začetnim kotom
omakanja.
Na osnovi opisanih ugotovitev smo razvili proces tiskanja, ki je zanesljiv in učinkovit,
ter omogoča konformen nanos plasti kovinskih oksidov z izbranimi dimenzijami, obliko,
debelino plasti in njihovim zaporedjem. Za potrditev koncepta smo izdelali feroelektrični
tankoplastni kondenzator, sestavljen iz plasti prevodnega lantanovega nikelata (elektroda)
in feroelektrične plasti svinčevega cirkonata titanata (PZT). Kondenzatorje smo natisnili
na različne podlage, med drugim na silicijeve rezine, ploščice iz aluminijevega oksida in
nikljevo folijo. Tiskane komponente z eno plastjo feroelektrika smo podrobno strukturno
in električno analizirali. Komponente izkazujejo odlične funkcijske lastnosti - njihov odziv
je primerljiv tankoplastnim kondenzatorjem, pripravljenim z uveljavljeno metodo vrtenja.
Tiskani večplastni kondenzatorji znatno presegajo odziv enoplastnih, kar se kaže v večji
kapacitivnosti in velikem elektromehanskem odzivu.
V zadnjem delu doktorske disertacije je predstavljena metoda priprave nanostrukturiranih
tankih plasti PZT z močno izboljšanimi piezoelektričnimi lastnostmi. Metoda temelji
na samourejanju organskega prekurzorja PZT v polimerni matrici med nanašanjem na podlago
z metodo vrtenja. Makro-poroznost, ki se razvije v plasti po žganju, omogoča lokalne
elastične relaksacije in s tem močno poveča elektromehanski odziv. Velik piezoelektrični
koeficient, ki doseže vrednost, značilno za volumensko keramiko, je posledica tako povečane
elastičnosti nanostrukturnih filmov kot velike mobilnosti feroelastičnih domenskih sten.