Медь хорошо проводит электричество, поэтому ее часто используют при разработке электроники, например для создания материнских и печатных плат, которые можно увидеть в домашней технике — стационарных компьютерах, смартфонах, стиральной машине и других приборах.

Чтобы материнские и печатные платы проводили электричество, на их поверхность наносят несколько токопроводящих микрорисунков, которые соединяются друг с другом и с другими компонентами платы. Получать микрорисунки меди можно несколькими способами, среди них ― литография, глубокая печать с помощью переноса изображения с рулона на рулон и электроосаждение. Но все они неидеальны. Для литографии нужна тщательная подготовка и время ― создание микрорисунка занимает около 40 часов, а для двух других методов необходимо дорогое оборудование и большой объем растворов, чтобы нанести покрытие для меднения на материал. Всё это невыгодно для мелкосерийного производства. К тому же, производители ограничены в комбинациях металлов и подложек, которые могут использовать для обработки. В разных комбинациях материалы имеют слабую адгезию (способность одного материала сцепляться с другим). Чтобы решить эту проблему, необходимо производить дополнительные, часто трудоемкие и затратные по времени операции.

Избежать этих проблем помогает лазерная обработка — в частности, прямая лазерная запись микрорисунков на поверхности или внутри стекла и лазерное химическое осаждение. Эти методы активно развиваются с 70-х годов прошлого века и уже показали свои преимущества: они более быстрые, экологичные и экономичные, а также позволяют получать любой микрорисунок. Но и здесь не всё так просто. Для прямой лазерной записи требуется дорогой фемтосекундный лазер, работа которого может быть нестабильна — на параметры лазерного источника влияют внешние условия. А в лазерном химическом осаждении используются токсичные и дорогие растворы.

Сотрудники международной научной лаборатории лазерных микро- и нанотехнологий и систем ИТМО совместно с коллегами из международного научного центра SCAMT и института химии СПбГУ разработали новый метод лазерно-индуцированного осаждения меди из глубоких эвтектических растворителей, который сочетает в себе преимущества уже существующих методов. При этом ученым удалось сделать процесс печати микрорисунков более дешевым и быстрым. Исследование показало, что скорость формирования рисунка более чем в сто раз превышает результаты, продемонстрированные в других научных работах.

«В основе лазерно-индуцированного осаждения меди лежит реакция восстановления. Благодаря высоким температурам и большим градиентам (то есть мы можем очень быстро нагреть и с такой же скоростью охладить микрорисунок) лазерное воздействие позволяет быстрее инициировать процессы обработки и реакцию восстановления. К тому же, с помощью лазера мы можем нанести любые рисунки — достаточно задать определенные параметры и нарисовать траекторию движения лазера в Adobe Photoshop или другой подходящей программе», — прокомментировала первый автор статьи, сотрудница международной научной лаборатории лазерных микро- и нанотехнологий и систем ИТМО, магистрантка второго курса факультета наноэлектроники Екатерина Авилова.

«Сэндвич» под лазерным излучением

Создание микрорисунков с помощью разработанного метода проходит в несколько этапов. Сначала ученые очищают стеклянную подложку от грязи, пыли и отпечатков пальцев ― любые следы на поверхности могут повлиять на химические процессы и взаимодействие излучения с подложкой. Затем подложку предварительно подготавливают. Для этого используют метод лазерно-индуцированной микроплазмы. Он заключается в том, что на титановую пластину кладется стекло, которое потом обрабатывается с помощью плазмы, генерируемой лазерным излучением. В результате образуется черный «налет» — продукты горения титана и его оксиды в виде маленьких частиц, с помощью которых создаются дополнительные центры кристаллизации. Они хорошо поглощают излучение и благодаря этому поддерживают нужную для обработки температуру. Также на стекле образуется рельеф, необходимый для повышения адгезии.

После этого на стекло наносится глубокий эвтектический растворитель, который состоит из винной кислоты, ацетата меди (II) и холина хлорида — химического соединения, которое связывает все остальные компоненты между собой и поддерживает достаточную консистенцию растворителя. Такой состав более дешевый и экологичный, а также он позволяет быстро растворить высокую концентрацию соли металла при более высокой температуре. Это нужно для более эффективного синтеза электрических контактов из меди на стеклянных подложках. При этом по сравнению с другими органическими и водными аналогами глубокий эвтектический растворитель хранится дольше и расходуется в меньших объемах.

Поверх смазанной растворителем стеклянной подложки кладется еще одно стекло ― так делается, чтобы убрать пузырьки воздуха, более равномерно распределить раствор и не дать ему выйти за границы зоны обработки. Под воздействием температуры и при обработке лазерным излучением смесь становится менее плотной, из-за чего происходит «эффект Ноя» — жидкость расходится от центра к краю стекла. Всю эту конструкцию ученые называют сэндвичем.

На последнем этапе ее еще раз подвергают лазерному излучению. Благодаря этому на нижней стеклянной подложке формируются микрорисунки, которые заранее задали в программе. Их форма может быть любая, в зависимости от того, что нужно исследователям: например, круги и линии для SPE (screen printed electrode) или сложные фигуры с большим количеством углов для создания многофункциональных сенсоров.

Гибкая электроника, сенсоры и не только

Предложенный учеными метод печати микрорисунков можно использовать в разных сферах — например для разработки химических сенсоров. Это чувствительные устройства, которые реагируют на изменение содержания и объема компонентов в химической среде. Также метод можно использовать для создания RFID-меток ― чаще всего их используют в магазинах, чтобы бороться с кражами. С помощью предложенного метода можно будет создавать очень сложные уникальные контуры, которые однозначно покажут, магазин какой фирмы обокрали. Но авторы работы отмечают, что это далеко не единственное применение.

«Любая электронная плата, в которой стерся рисунок, обычно утилизируется, но с помощью нашего метода его можно будет отреставрировать, записав заново. Также мы надеемся, что наша работа будет полезна для создания гибкой электроники — технологии, способной обеспечить физическую гибкость устройств. Наш метод можно будет использовать для проектирования гибких дисплеев или физиологических сенсоров, которые приклеиваются к телу и измеряют уровень водного баланса организма или сахара, что может помочь при сахарном диабете», — добавила Екатерина Авилова.

В ближайшем будущем ученые планируют усовершенствовать метод. При этом, так как исследование междисциплинарное, в работе будут задействованы несколько разных научных групп. Химики будут корректировать концентрации компонентов или заменять компоненты на другие, проверяя, поможет ли это повысить эффективность растворителей, а физики — исследовать параметры воздействия лазерного излучения, например мощность, частоту и длину волны. Также важно учитывать способ нанесения рисунка — расстояние между линиями, порядок нанесения, количество облучений и многое другое. Это поможет увеличить скорость формирования микрорисунков и повысить их качество.

Помимо этого, исследователи планируют экспериментировать с режимами лазерной записи и материалами для подложек. Первое нужно для повышения эффективности печати, а второе — для расширения технологической востребованности метода. Использование материалов вроде полиимида, стеклотекстолита и других позволит предложить больше вариантов изделий рынку электроники, отмечают ученые.

Подробнее об исследовании: Ekaterina Avilova, Evgeniia Khairullina, Andrey Shishov, Elizaveta Eltysheva, Vladimir Mikhailovskii, Dmitry Sinev and Ilya Tumkin, Direct Laser Writing of Copper Micropatterns from Deep Eutectic Solvents Using Pulsed near-IR Radiation (Nanomaterials, 2022).

Работа выполнена за счет гранта РНФ (проекты № 20-79-10075 и № 21-79-10241) и при поддержке гранта НИР бакалавров, магистров и аспирантов на базе физико-технического мегафакультета ИТМО.