Wspomagana polem elektrycznym metoda osadzania pojedynczych cząstek i formowania struktur pozapłaszczyznowych z mikrocząstek

Kierownik: dr hab. Zbigniew Rozynek | Nr projektu: 2022/45/B/ST5/03529 | Wartość: 1 128 134,00 PLN | 2023-02-01 - 2025-02-23 | Instytucja: NCN | OPUS 23

Tworzenie układów pojedynczych mikrocząstek na podłożach wciąż stanowi duże wyzwanie. Obecnie istniejące metody są albo skomplikowane, drogie i czasochłonne, albo nieprecyzyjne oraz ograniczone do obiektów o określonych właściwościach, np. cząstek magnetycznych. Wady te utrudniają wytwarzanie nowych materiałów i urządzeń. Dlatego głównym celem projektu jest opracowanie wydajnej i dokładnej metody osadzania pojedynczych cząstek na różnego rodzaju podłożach. Najkorzystniej, aby metoda była jak najbardziej uniwersalna, tj. aby można było wykorzystać różnorodne mikrocząstki o dowolnym rozmiarze i dodatkowo aby cząstki te można było nanosić na substraty o różnych właściwościach fizycznych. Badania wstępne, które przeprowadziliśmy w tym roku wykazały, że zastosowanie pola elektrycznego i odpowiednie wykorzystanie oddziaływań kapilarnych umożliwia wydajne nanoszenie mikrocząstek na podłoża oraz tworzenie struktur pozapłaszczyznowych. Nie rozumiemy jednak w pełni mechanizmów fizycznych zachodzących podczas tych procesów, co hamuje rozwój metody. Nie jest także oczywiste jakie są fizyczne ograniczenia metody, np. jaka jest dolna granica rozmiarów cząstek, jaki kształt mikrocząstek jest najbardziej korzystny, etc. Aplikujemy zatem o finansowanie średnioterminowego projektu (24 miesiące), w którym część kosztów przeznaczona zostanie na zatrudnienie dwóch doświadczonych naukowców, na zakup materiałów (mikrocząstek, cieczy, podłoży) oraz zaawansowanej aparatury (obecnie wykorzystywany niskobudżetowy układ eksperymentalny uniemożliwia przeprowadzanie precyzyjnych badań w mikroskali). Ponieważ proponowany projekt jest wielodyscyplinarny (łączy fizykę, elektronikę, chemię i inżynierię), realizację zadań badawczych zaplanowano we współpracy z naukowcami z renomowanych uczelni w Norwegii (SINTEF Digital, Oslo oraz UNS, Vestfold) i USA (Uniwersytet Harvarda), którzy udzielą nam merytorycznego wsparcia odpowiednio w dziedzinie elektroniki i chemii, oraz fizyki. Najważniejszym zadaniem do wykonania w projekcie jest zrozumienie i wyjaśnienie mechanizmów fizycznych, towarzyszących procesowi osadzania układów pojedynczych cząstek na różnego rodzaju podłożach. Wykonanie zadania umożliwi optymalizacja metody w celu uzyskania jak najlepszej dokładności oraz wydajności. Równolegle, będziemy prowadzić także badania w celu scharakteryzowania pod względem właściwości fizycznych struktur zawartych w płaszczyźnie, jak i tych pozapłaszczyznowych (np. słupków zestawionych z pojedynczych cząstek). W ostatniej fazie projektu zaprezentujemy przydatność metody do wytwarzania połączeń chipowych oraz materiałów porowatych. Zakładamy, że proponowana technika pozwoli na osadzanie pojedynczych cząstek o różnym kształcie (kulisty, wydłużony, itp.); strukturze (np. stały rdzeń, rdzeń-powłoka); wielkości (od 1 µm do 1 mm) i właściwościach elektrycznych na rozmaitych podłożach, w tym gładkich (np. szyby), szorstkich (np. deski drewniane), nieregularnych (np. tkaniny) i chłonących ciecz (np. materiały porowate). Jeśli zaprezentowana w projekcie metoda okaże się (jak sądzimy) wydajna, łatwa do implementacji, i umożliwiająca dokładne osadzanie cząstek o rozmiarach tak małych jak średnica ludzkiego włosa lub nawet mniejszych, to nastąpi zrewidowanie dotychczasowych metodologii stosowanych w różnych branżach przemysłu. Dla przykładu, w branży elektronicznej, łączenie matryc półprzewodnikowych odbywa się za pomocą technologii flip-chip bonding, w której używa się mikrocząstek lutowia. Obecnie stosowane w przemyśle tanie metody nie pozwalają na układanie cząstek mniejszych niż około 100 µm. Do nanoszenia mniejszych cząstek wykorzystuje się bardzo zaawansowane i kosztowne metody. Nasza metoda może przynieść przełom – jak zapewniał w rozmowie z nami prezes jednej z największych firm na świecie (PacTech, Niemcy) wytwarzających urządzenia do nanoszenia mikrocząstek na podłoża. Zatem proponowany projekt badawczy oferuje możliwość poszerzenia wiedzy podstawowej w dziedzinie oddolnego wytwarzania materiałów oraz przygotuje grunt pod badania rozwojowe i ostatecznie komercjalizację metody w niedalekiej przyszłości.