Une nouvelle technique permet d’imprimer des circuits en couches minces d’oxyde métallique à température ambiante

Des chercheurs ont démontré une technique permettant d’imprimer de minces films d’oxyde métallique à température ambiante et ont utilisé cette technique pour créer des circuits transparents et flexibles, à la fois robustes et capables de fonctionner à des températures élevées.

L’article, « Impression ambiante d’oxydes natifs pour des circuits imprimés flexibles transparents ultra-minces », a été publié le 15 août dans la revue Science.

« La création d’oxydes métalliques utiles pour l’électronique nécessite traditionnellement l’utilisation d’équipements spécialisés, lents, coûteux et fonctionnant à haute température », explique Michael Dickey, co-auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur Camille et Henry Dreyfus d’ingénierie chimique et biomoléculaire à l’Université d’État de Caroline du Nord.

« Nous voulions développer une technique permettant de créer et de déposer des films minces d’oxyde métallique à température ambiante, imprimant ainsi essentiellement des circuits en oxyde métallique. »

Les oxydes métalliques sont un matériau important que l’on retrouve dans presque tous les appareils électroniques. La plupart des oxydes métalliques sont isolants électriquement (comme le verre). Mais certains oxydes métalliques sont à la fois conducteurs et transparents, et ces oxydes sont particulièrement importants pour l’écran tactile de votre smartphone ou l’écran de votre ordinateur.

« En principe, les films d’oxydes métalliques devraient être faciles à fabriquer », explique Dickey. « Après tout, ils se forment naturellement à la surface de presque tous les objets métalliques de nos maisons : canettes de soda, casseroles en acier inoxydable et fourchettes. Bien que ces oxydes soient omniprésents, leur utilité est limitée car ils ne peuvent pas être éliminés des métaux sur lesquels ils se forment. »

Pour ce travail, les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode permettant de séparer l’oxyde métallique d’un ménisque de métal liquide. Si vous remplissez un tube de liquide, un ménisque est la surface incurvée du liquide qui s’étend au-delà de l’extrémité du tube.

La courbure du ménisque est due à la tension superficielle qui empêche le liquide de s’écouler complètement. Dans le cas des métaux liquides, la surface du ménisque est recouverte d’une fine couche d’oxyde métallique qui se forme à l’endroit où le métal liquide rencontre l’air.

« Nous remplissons l’espace entre deux lames de verre avec du métal liquide de sorte qu’un petit ménisque s’étende au-delà des extrémités des lames », explique Dickey.

« Imaginez les diapositives comme une imprimante et le métal liquide comme l’encre. Le ménisque de métal liquide peut alors être mis en contact avec une surface. Le ménisque est recouvert d’oxyde sur tous les côtés, de manière analogue au caoutchouc fin qui enveloppe un ballon d’eau.

« Lorsque nous déplaçons le ménisque sur la surface, l’oxyde métallique à l’avant et à l’arrière du ménisque adhère à la surface et se décolle, comme la trace laissée par un escargot. Pendant ce temps, le liquide exposé sur le ménisque forme constamment de l’oxyde frais pour permettre une impression continue. »

Le résultat est que l’imprimante dépose un film mince à deux couches d’oxyde métallique d’une épaisseur d’environ 4 nm.

« Il est important de noter que même si nous utilisons un liquide, le film d’oxyde métallique déposé sur le substrat est solide et incroyablement fin », explique Dickey. « Le film adhère au substrat, il ne risque pas de tacher ou de maculer. C’est important pour l’impression de circuits. »

Les chercheurs ont démontré cette technique avec plusieurs métaux liquides et alliages métalliques, chaque métal modifiant la composition du film d’oxyde métallique. Les chercheurs ont également pu déposer une pile de couches minces en effectuant plusieurs passages avec l’imprimante.

« L’une des choses qui nous a surpris, c’est que les films imprimés sont transparents mais ont des propriétés métalliques », explique Dickey. « Ils sont très conducteurs. »

« Étant donné que les films ont un caractère métallique, l’or se lie à l’oxyde imprimé, ce qui est inhabituel : l’or n’adhère normalement pas aux oxydes », explique Unyong Jeong, co-auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH).

« Lorsque vous introduisez une petite quantité d’or dans ces films minces, l’or est essentiellement incorporé au film. Cela permet d’éviter que les propriétés conductrices de l’oxyde ne se dégradent au fil du temps. »

« Nous pensons que ces films sont si conducteurs parce que le centre du film mince à deux couches contient très peu d’oxygène, il est plus métallique et moins constitué d’oxyde », explique Jeong.

« Sans la présence d’or, davantage d’oxygène parvient au fil du temps au centre du film mince stratifié, ce qui rend le film électriquement isolant. L’ajout d’or au film mince permet d’éviter l’oxydation de la partie centrale du film. Le fait que cela fonctionne si bien est surprenant car nous utilisons si peu d’or : le film mince d’oxyde est toujours très transparent. »

De plus, les chercheurs ont constaté que les films minces conservaient leurs propriétés conductrices à haute température. Si le film mince a une épaisseur de 4 nanomètres, il conserve ses propriétés conductrices jusqu’à près de 600 degrés Celsius. Si le film mince a une épaisseur de 12 nanomètres, il conserve ses propriétés conductrices jusqu’à au moins 800 degrés Celsius.

Les chercheurs ont également démontré l’utilité de leur technique en imprimant des oxydes métalliques sur un polymère, créant ainsi des circuits hautement flexibles et suffisamment robustes pour conserver leur intégrité même après avoir été pliés 40 000 fois.

« Les films peuvent également être transférés sur d’autres surfaces, comme des feuilles, pour créer des composants électroniques dans des endroits non conventionnels », explique Dickey. « Nous préservons la propriété intellectuelle de cette technique et sommes ouverts à la collaboration avec des partenaires industriels pour explorer des applications potentielles. »