Transfer and inkjet printing of gold thin film and graphene oxide nanoparticles for micro-oscillators

Abstract

This study presents the results of micro-oscillator fabrication using the transfer printing (TP) of gold (Au) thin films and inkjet printing of graphene oxide (GO) nanoparticles. The Au thin films are formed into a doublesupported microbeam to function as a micro-oscillator on a polymer substrate. The Au microbeams have a thickness of 300 nm and a length of 250 or 300 µm. To improve adhesion strength between the substrate and the Au thin film, the Au thin film is transferred and printed onto a substrate pre-coated with a 30-nm-thick Au surface via atomic diffusion bonding. Furthermore, GO nanoparticles are deposited on the transfer-printed Au thin film and the convex part of the stamp using inkjet printing to enhance the mechanical properties of the microoscillator. The former deposition forms a double-layered beam of Au and GO. The Au/GO/Au-layered microbeam is fabricated on a pre-structured substrate by TP after another Au thin film is then deposited on this GO/Au surface. These micro-oscillators can be driven by electrostatic force at less than 10 kHz with 90-210 V of applied voltage, while the deflection of the micro-oscillator is measured by a laser displacement meter. The Au micro-oscillators have a damping ratio of 0.166, and a resonance frequency of 0.28 kHz. This resonance frequency is smaller than that estimated by finite element method analysis. This difference in resonance frequency is attributed to the Young's modulus of the Au thin film and structural defects due to van der Waal bonding. The modulus of the laminated thin film of Au and GO nanoparticles is higher than that of the Au thin film.

Conductive Gold Thin Film Prepared by the Two-Dimensional Assembly of Gold Nanoparticles on a Plastic Surface

“…This raises further environmental concerns, especially when recycling. Despite high demands for an alternative approach to preparing gold thin films on various solid materials, there have been few relevant studies. − …”

Fabrication of capacitive gas sensor applying MoS₂ nanoparticles by printing technique

“…本研究では，トランスファプリントとインクジェットプリントを用いて静電容量変化型 MEMS ガスセンサの 作製を試みている．静電容量変化型 MEMS ガスセンサはガス分子の吸着による静電容量の変化を測定するセン サで，抵抗変化型や光を応用したガスセンサに比べて構造が単純で小型化しやすく，省電力性に優れるといった 利点がある (Zhenyu et al, 2021) ( Mukut et al, 2021) ． このような MEMS の作製には，一般に半導体プロセスが用いられるが，同手法は精度が高く，大量生産が可能 である反面， 犠牲層エッチング等の煩雑な工程を必要とし， コストも高い (Haleh et al, 2021) ( Gulshan et al, 2021) ． 一方で，トランスファプリントやインクジェットプリントなどのプリント技術は，簡易的にかつ低コストで微細 構造の作製が可能であり，近年注目されている．トランスファプリントはスタンプで薄膜を転写して微細化する 技術で，ナノ･マイクロスケールの電極や配線を容易に作製できる．また，犠牲層エッチングを含まないため，高 分子材料の基板も応用可能であり，フレキシブルデバイスへの応用も期待されており (Maria et al, 2020) (Linghu et al, 2018) ，ポリメチルシロキサン基板上に Si-CMOS 回路も作製されている (Yoon et al, 2008) ．これらの構造 は基材の柔軟性を活かして，伸縮・折り畳みが可能な電子デバイスへの応用が試みられている．筆者らもトラン スファプリントによってナノ振動子などを作製している (Kasuga et al, 2023) (Yamashita et al, 2014) ． Masuda, Kasuga, Kono and Kaneko, Transactions of the JSME (in Japanese), Vol.89, No.928 (2023) グラフェンや二流化モリブデン(MoS2)に代表される二次元材料は，高い電子易動度と物質吸着による仕事関 数の変化を特性として持つため (Radisavljevic et al, 2013) ，センサ材料として注目されている (Tabata et al, 2019) (Choi et al, 2020) ( Lee et al, 2013) ．例えば，数層の MoS2 薄片を使用したガスセンサを試作し，NO2 を曝露した ときの抵抗値の変化が実証されているが，MoS2 薄片は機械的剥離法により構造化しており，実用化に適した作製 プロセスは確立されていない (Wenli et al, 2019)． トランスファプリントは金属薄膜ではなくナノ粒子のパターニングや素子作製にも活用されているが (Tobias et al, 2007) ，スタンプ(凸部)への粒子膜作製が容易ではない．また，ディップコーティング(移流集積法)や スピンコートも粒子膜作製技術として利用されるが，所望の位置で粒子膜を作製するためには，基材にあらかじ め吸着性や濡れ性を制御したテンプレートあるいはマスクなどを用意する必要がある．一方で，インクジェット プリントは微小液滴を基板に滴下して印刷する技術で，ナノ粒子の成膜や構造化に適した技術である (Lingxian et al, 2023) (Pokpas et al, 2020) (Rouba et al, 2018) (Koo et al, 2006) ．インクジェットプリントによる MoS2 ナノ粒 子膜の作製とその電気的特性については実証例があり，電界効果トランジスタへの応用の可能性が示されている (Mingrui et al, 2023) (Xiaoyu et al, 2023 (Kaneko et al, 2019) 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10…”