The authors would like to thank to Heraeus Precious Metals GmbH &amp; Co. KG for their support and supply of commercial silver pastes, especially M. K&#246;nig for fruitful discussions. Special thanks go to M. Schmalz for experimental support. C. Y&#252;ce gratefully acknowledges financial support by the 100 prozent erneuerbar stiftung. Finally, we acknowledge financial support from the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (Grant no. 0325775G).

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The authors have nothing to disclose.

Una caratterizzazione reologica completo di sospensioni o paste altamente concentrate è obbligatoria per una riunione sviluppo del prodotto mirato le molteplici esigenze durante l&#39;elaborazione e l&#39;applicazione di tali fluidi complessi. Questa indagine include la determinazione di snervamento, viscosità, velocità di scorrimento della parete, recupero strutturale dopo grandi deformazioni e allungamento a rottura, così come forza di trazione durante filamento allungamento. Una sintesi di tutti i metodi applicati, ottenuto informazioni, e le caratteristiche della colla sono riassunti nella Tabella 1. è dimostrato l&#39;importanza di registrazioni video per la determinazione affidabile di quantitativi reologiche delle sospensioni altamente caricate mostrando slittamento parete, taglio a strisce e ricaduta campione a piatti paralleli reometria rotazionale. registrazioni video consentono la determinazione del vero profilo deformazione e il campo di flusso in corrispondenza del bordo del campione utilizzando marcatori appropriati. È necessARY studiare questo comportamento di deformazione prima di analizzare i risultati di esperimenti reologiche. Così impostazioni dei parametri di misurazione e valori di rugosità lastra possono essere identificati per le quali misure di viscosità sono possibili. Lo stress pasta resa può essere determinato utilizzando una geometria geometria palette o piastra-piastra con appropriata rugosità. Determinazione della viscosità è possibile utilizzando la geometria piastra-piastra solo con una rugosità piastra selezionato a seconda della composizione del campione. Rugosità maggiore non comporta necessariamente inferiore slittamento parete. La velocità di taglio o l&#39;intervallo sollecitazione di taglio in cui la determinazione della viscosità può essere fatto è limitata dalla tensione di snervamento e l&#39;insorgenza di fuoriuscita del campione. Inoltre, la velocità di scorrimento può essere misurato direttamente e condizioni di misura in cui flusso a stantuffo, taglio delle bande o ricaduta campione verificano può essere identificato chiaramente. Per misure di slittamento parete superfici lisce sono state usate come pla taglio superioreTE e una piastra di fondo ruvido per consentire slittamento solo alla piastra superiore. Questa velocità di scorrimento può essere calcolato direttamente dalla velocità angolare della piastra superiore. Per entrambe le paste slittamento avviene a livelli di stress nettamente inferiori al limite di elasticità apparente. Osservazioni simili sono stati riportati per sospensioni di microsfere di vetro 25, sospensioni argilla 27, paste microgel molli nonché per emulsioni 28, 29, 30. Qui un aumento lineare di v slittamento con τ app è trovato. Ciò è in linea con le osservazioni di Aral et al. 25 che determinata anche v slittamento usando la visualizzazione del campo di moto in corrispondenza del bordo delle sospensioni branello di vetro investigati. Seth et al. hanno dimostrato che la scala della velocità di scorrimento con sollecitazione applicata è controllata dalla interazione tra il partic morbidoles hanno usato nel loro studio e la parete. Per il caso in cui non v&#39;è alcuna adesione specifica di particelle alla parete, trovano anche una relazione lineare tra v slittamento e stress ma un ridimensionamento quadratica è trovato che le particelle debolmente aderenti alla parete 28, 29, 30. Gli studi su paste particelle morbide rivelano anche una caratteristica velocità di scorrimento V * alla tensione di snervamento e un modello elastoidrodinamica è presentato 29 consente di calcolare V * dai parametri fisiche del fluido e particelle che possono essere determinate indipendentemente: V * ~ γ y 2 (G 0 R / η s) (G P / G 0) 1/3. Questa velocità di scorrimento caratteristica dipende dalle paste resa ceppo γ y e modulo elastico G 0, solvente viscosità η s, nonché particle raggio R e il modulo G P. I valori risultanti da questa semplice stima (V A * = 375 micron s -1 e V B * = 118 micron s -1) accordo molto bene con i risultati sperimentali (Figura 9), non solo per quanto riguarda l&#39;ordine di grandezza ma anche per quanto riguarda la differenza tra pasta A e B. fuoriuscite campione viene osservato qui ad una caratteristica critica velocità di rotazione per ciascuna pasta. Fuoriuscita non si verifica nei veicoli puri. Questo fenomeno limita caratterizzazione reologica delle paste e può anche essere rilevante per talune operazioni di trattamento o di rivestimento, ma la sua origine fisica rimane irrisolto. registrazioni video indicano inoltre che slittamento parete, a flusso a pistone e la fuoriuscita del campione possono essere esclusi durante prove di taglio oscillatorie. Pertanto, la diminuzione e aumento dei moduli di taglio osservati durante i test oscillatorio taglio tre stadi con Small ampiezza di oscillazione in fase I e III nonché grande ampiezza di deformazione <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/55377/55377eq2.jpg" /> &gt; <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/55377/55377eq2.jpg" /> c può essere direttamente attribuita a rottura strutturale giù e recupero. Si è potuto dimostrare che il grado di irreversibile cambiamento strutturale durante oscillatori taglio aumenta con l&#39;aumentare dell&#39;ampiezza di deformazione in fase seconda fino a saturazione viene raggiunta a deformazioni corrispondenti al crossover di G&#39; e G &#39;&#39; nel test di ampiezza scansione, ma il danno irreversibile è indipendente dalla durata di alto taglio ampiezza in fase II. La variazione in modulo e struttura quindi campione a causa di grande deformazione di taglio nella fase II è definito irreversibile qui poiché dopo tempi di attesa di più di 10 s 4, il modulo elastico è di gran lunga inferiore al suo valore iniziale (dati non mostrati). I dati mostrati nella figura 15 sono limitati a attesatempi di 1.500 s per motivi di chiarezza. Tuttavia, va notato che la scala temporale del processo di stampa è nell&#39;ordine di secondi o anche al di sotto. Questo non è accessibile con la configurazione reometro rotazionale convenzionale utilizzato in questo studio. Le altezze Gap utilizzati in questo studio sono anche molto più grandi aperture tipiche di maglia in serigrafia dei moderni elettronica stampata. misure reologiche con geometria piastra-piastra non può essere fatto a tali aperture gap piccole a causa dei limiti di regolazione meccanica per grandi lastre tipicamente utilizzati nelle misurazioni reologiche. Inoltre, grandi separazioni gap sono stati scelti qui per facilitare la visualizzazione della deformazione campione al cerchio. test filamento si estende con un capillare rottura reometro elongazionale e un tester di trazione possono essere utilizzati per caratterizzare il comportamento di deformazione e rottura delle paste altamente caricate nei flussi elongazionale. L&#39;allungamento a rottura e il mforza assima durante l&#39;allungamento sono parametri ottenuti da queste prove e può essere correlata al tergipavimento snap-off durante la serigrafia. Infine, state osservate differenze significative in tutti gli esperimenti descritti sopra per le due paste d&#39;argento commerciali esaminati in questo studio. Una discussione estesa della rilevanza delle proprietà reologiche di pasta per le loro prestazioni sarà affrontato in un successivo documento sulla base di dati per una vasta gamma di diverse paste e veicoli.

Fronte metallizzazione lato delle celle solari al silicio è comunemente realizzato con serigrafia tradizionale. Inoltre la stampa stencil, stampa a getto d&#39;inchiostro e stampa flessografica 1, serigrafia è stata utilizzata dal 1970 per numerose applicazioni di stampa 2. Si tratta di una tecnica versatile e nella produzione di celle solari, assicura metallizzazione semplice e veloce ad un costo di stampa bassa. Tuttavia, le proprietà di flusso di paste serigrafiche devono essere regolati con cura per garantire indisturbati, senza difetti di lavorazione. Questo è particolarmente impegnativo metallizzazione cella solare dal strette motivi a linee uniformi devono essere raggiunti. Inoltre, pasta ricette devono essere adattati con attenzione per evitare la sedimentazione delle particelle di argento alta densità, separazione di fase e aggregazione delle particelle. Le paste serigrafiche conduttrici altamente concentrati per metallizzazione lato anteriore delle celle solari Mainly costituiti da tre componenti 3, 4, 5, 6: il materiale conduttivo, particelle di argento generalmente micron dimensioni fornendo buona conduttività elettrica 7, 8; la fase continua, il cosiddetto veicolo, una miscela di leganti organici, solventi e additivi che promuovono bagnatura particella, formazione della pellicola e l&#39;adesione al substrato che comprende anche additivi per regolare il comportamento del flusso, in particolare permettendo la pasta di passare le maglie dello schermo strette facilmente; e il legante inorganico (polvere di vetro) agisce come promotore di adesione e attiva il processo di sinterizzazione a temperature più basse. Stampa di linee sottili con un elevato rapporto di aspetto richiede paste d&#39;argento che esibiscono uno stress alto rendimento e un comportamento shear-assottigliamento pronunciato 9. Lo stress alto rendimento garantisce una buona shape precisione e di formato alto, mentre forte shear-assottigliamento e corrispondentemente bassa viscosità ad alte velocità di taglio sono necessari quando la pasta scorre attraverso le aperture delle maglie strette, dove la pasta viene esposta ad alte velocità di taglio prevede che saranno oltre 10 3 s -1 10. Durante il processo di stampa, paste sono esposti a molto differenti tassi di deformazione e sollecitazioni. In primo luogo, la pasta riposa sullo schermo; quindi gli atti tergipavimento e la pasta penetra attraverso aperture schermo sul substrato. Dopo l&#39;applicazione della colla sul wafer di silicio, la struttura e la viscosità deve recuperare rapidamente vietare pasta diffusione sul substrato. Ciò ridurrebbe prestazioni della cella solare a causa di maggiori perdite di schermatura 10, 11, 12, 13, 14, 15. Interruzioni, i cosiddetti meshmarks, in linee barretta stampati possono verificarsi in punti di incrocio di fili della maglia seconda pasta reologia. Il tempo per il riassorbimento degli meshmarks dovrebbe essere tutto il tempo necessario, ma anche abbastanza breve per mantenere la linea dito diffondere il più basso possibile 16. La pressione della racla richiesta per la pasta di fluire attraverso le maglie sul substrato deve essere attentamente regolata allo stress alto rendimento necessario fornire una buona precisione di figura 3, 6, 9, 17, 18. Le particelle sono strettamente imballati, interagiscono con forza e formano strutture complesse. Di conseguenza, oltre a snervamento, assottigliamento delle cesoie e tissotropia, vari altri fenomeni di flusso complessi come bande taglio o valanga possono verificarsi in tali sospensioni 19, 20 &lt;/ sup&gt;, 21. Slittamento parete è anche fondamentale per sospensioni concentrate 22, 23, 24, 25. Un sottile strato di liquido di viscosità più bassa, cioè uno strato impoverito o privo di particelle è formata vicino alla parete 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 e può controllare il flusso attraverso spazi ristretti o canali. Quindi, una caratterizzazione reologica completa di paste serigrafiche è essenziale al fine di migliorare le caratteristiche di lavorazione e le caratteristiche del prodotto. In questo studio, due paste d&#39;argento commerciali sono caratterizzati. Queste paste presentano sostanzialmente diverse prestazioni di stampa. Il char reologicoacterization di tali materiali è molto esigente. Anche il semplice determinazione della viscosità di taglio costante utilizzando un reometro rotazionale è una sfida importante causa di slittamento parete, a flusso a pistone, taglio strisce e pasta fuoriuscita. Di conseguenza, gli studi precedenti focalizzati su misurazioni oscillatori di taglio 10, 17, 21 o sulla caratterizzazione di basse paste d&#39;argento concentrate, cosiddetti inchiostri 3, 6, 15, per cui difficilmente verificarsi i suddetti fenomeni. Protocolli per una caratterizzazione robusta e significativa del comportamento del flusso di paste d&#39;argento concentrate possono essere definite con l&#39;aiuto di registrazioni video. Un reometro rotazionale di taglio con un apparecchio campione parallelo-piastra è usata in questo studio, dimostrando chiaramente che il flusso spina, slittamento parete e taglio bande dipendono dalla piastra grezzaness in modo non banale. Nel lavoro precedente, dipendente dal tempo sviluppo di slittamento parete a flusso costante di torsione sospensioni concentrate stata esaminata per differenti rugosità piastra. Il flusso di sospensioni altamente concentrate di sfere di vetro solide in soluzione legante polimerico è stato visualizzato e un aumentato piastra o ruvidità cilindro interno impedito slittamento parete. Tuttavia, aumentando piastra rugosità portato frattura dei campioni 22, 25. Rottura è avvenuta a piccole velocità di taglio apparenti quando la rugosità delle pareti è stata aumentata. Le punte delle asperità delle superfici ruvide possono fungere da punti di concentrazione delle tensioni alla superficie della piastra, avviando frattura a sollecitazioni di taglio T si minore della tensione di snervamento τ y 25. slittamento parete è considerata importante per le prestazioni dello schermo-stampa di paste altamente concentrati. Il passato<html> e scivola attraverso le maglie più facile a maggior slittamento parete e suo deposito sul substrato aumenta significativamente 32. Con l&#39;aiuto di registrazioni video, slittamento parete può essere osservato direttamente per diversi protocolli sperimentali. La velocità di scorrimento può essere determinata direttamente dalla velocità angolare del piatto rotante utilizzando piastre lisce con bassa rugosità. Ma la determinazione comportamento di flusso su paste d&#39;argento è una limitazione intrinseca. Le sospensioni non sono trasparenti, osservazioni sul campo di flusso in modo ottico possono essere fatte solo al bordo del campione. Studi precedenti hanno tentato di determinare slittamento parete e deformazione all&#39;interno dei campioni simultaneamente. Essi hanno osservato slittamento sotto della tensione di snervamento e trovarono una dipendenza quadratica velocità di scorrimento sulla sollecitazione di taglio. Il comportamento reologico delle sospensioni argilla trasparenti è stata studiata mediante Pignon 27 a seguito della deformazione di una linea di pigmento colorante iniettato nel materiale sfuso. Persello et al.xref &quot;&gt; 26 hanno studiato sospensioni di silice acquose concentrate. Essi hanno scoperto che l&#39;aumento piastra rugosità per sopprimere slittamento parete non comporta una deformazione campione omogeneo ma provocò frattura rinfusa. slittamento e deformazione del campione in paste di particelle microgel morbide ed emulsioni concentrate è stata intensamente discusso in una serie di articoli 28, 29, 30, 31. particelle traccianti fluorescenti sono stati usati per determinare il campo di flusso all&#39;interno di questi campioni trasparenti in una geometria cono piastra. Hanno trovato una caratteristica velocità di scorrimento V * alla tensione di snervamento del rispettivo materiale ed una legge di potenza per l&#39;aumento della velocità di scorrimento con taglio τ sforzo inferiore τ y. esponente di una trovata per particelle non aderenti e due nel caso di debole attrazione tra particelle e la parete. Nello studio presentato la suae lo sviluppo di deformazione e di flusso sotto sforzo controllato e condizioni shear rate di regolazione vengono controllati. In contrasto con i risultati riportati nell&#39;Esempio di Riferimento 25, piastra di aumento rugosità non comporta frattura per entrambe le paste esaminati. Inoltre, slittamento parete e flusso spina non possono essere soppressi semplicemente aumentando piastra rugosità. Questi fenomeni sembrano essere controllata dal rapporto delle dimensioni delle particelle e la piastra rugosità. insiemi fuoriuscita del campione in una velocità di rotazione caratteristica presumibilmente determinato dall&#39;equilibrio tra le forze centrifughe che agiscono su e attrito sulla piastra reometro. Tuttavia, la gamma shear rate in cui la determinazione della viscosità è possibile può essere determinato, e simultaneamente slittamento parete può essere quantificato. Inoltre, un reometro capillare viene utilizzato per determinare la viscosità a velocità di taglio più elevate rilevanti per il processo di stampa. Nonostante le difficoltà con costante taglio reometria, ben definita taglio oscillatorio deformazione cun essere implementato facilmente. Un test in tre fasi oscillazione (frequenza costante, diverse ampiezze di oscillazione) simula il processo serigrafico 10 e consente lo studio strutturale recupero della pasta: Nel primo &quot;pre-stampa&quot; passo, una piccola deformazione viene applicato per determinare le proprietà elastiche e viscose a riposo. Il secondo &quot;stampa&quot; step simula il rivestimento lama e la pasta passa retino applicando una sufficientemente elevata ampiezza di deformazione rompere la struttura pasta. Nella fase &quot;post-stampa&quot; finale, una piccola deformazione è utilizzata per individuare il recupero strutturale della pasta. Il valore di modulo iniziale dovrebbe essere raggiunta rapidamente per evitare la diffusione di pasta, ma non troppo veloce per evitare meshmarks. Le indagini qui presentati confermano che la ripresa strutturale è incompleta, come precedentemente riportato da Zhou 21. Zhou potrebbe dimostrare che il cambiamento strutturale è causatodalla rottura di cluster di riempimento di filler-matrice disaccoppiamento utilizzando particelle di argento sospese in soluzione etil cellulosa. registrazioni video in questo studio rivelano che l&#39;osservato cambiamento strutturale irreversibile non è un artefatto relativo al verificarsi dello slittamento parete, taglio strisce, a flusso a pistone o fuoriuscita del campione. Inoltre, si è trovato che il grado di rottura strutturale dipende fortemente l&#39;ampiezza di deformazione applicata nello stadio due, ma difficilmente dipende dall&#39;intervallo di tempo della deformazione applicata. Questo aspetto non è stato percepito negli esperimenti di Zhou. L&#39;influenza della composizione pasta sulla composizione strutturale e recupero sarà discusso in un documento successivo. Infine, un metodo per simulare il comportamento di pasta durante la schermata di scatto-off è presentato. Un capillare rottura reometro elongazionale e un dinamometro commerciale vengono utilizzati per determinare il rapporto di stiro a cui rompere le paste e la forza assiale massima durante lo stretching come funzionedella velocità di allungamento. registrazioni video sono rivelati indispensabili per reperire i protocolli di misura appropriati per una caratterizzazione reologica significativa di paste d&#39;argento con piatti paralleli reometria rotazionale. dati video abilitati alla determinazione del tasso di taglio e regimi di sollecitazione di taglio in cui i valori fisicamente snervamento ben definita e viscosità può essere determinata. La scelta appropriata della piastra rugosità e parametri di separazione piastra era basata su queste registrazioni video. impostazioni sperimentali per cui si verificano slittamento parete, a flusso a pistone puro, taglio delle bande o fuoriuscite di esempio potrebbero essere inequivocabilmente identificati. Le paste esaminati qui sono usati per metallizzazione lato anteriore delle celle solari. Tuttavia, un video attenta supportato caratterizzazione reologica è importante anche per vari altri tipi di sospensioni concentrate compreso alta densità, particelle micron di dimensioni.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>endoscopy</td>
			<td>Visitool</td>
			<td>TVS80.280.BF6.AD10.2</td>
			<td>full name: TV-Endoskop, C-Mount, Variookular 2X, &#216; 8mm x ca. 280mm, 0&#176;, BF:6mm, AD 10mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>commercial silver paste&#160;</td>
			<td>Heraeus Deutschland GmbH &#38; Co. KG 
			Global Business Unit Heraeus Photovoltaics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>rheometer A</td>
			<td>Anton Paar</td>
			<td>Physica MCR 501</td>
			<td>Rq = 2 - 4 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>rheometer B</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>Haake Mars II</td>
			<td>Rq = 1.15 &#181;m 
			Rq = 9 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>rheometer C</td>
			<td>Thermo Scientific (formerly Haake GmbH)</td>
			<td>Rheostress 150</td>
			<td>vane geometry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sandpaper</td>
			<td>Jean Wirtz D&#252;sseldorf Metallographie</td>
			<td>P320 C</td>
			<td>Rq = 9 &#181;m 
			grain size = 46.2 &#177; 1.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>recording software</td>
			<td>Debut Video Capture</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED Spotlight</td>
			<td>Kaleep&#160;</td>
			<td>48W Led Work Lights 
			Offroads Lights 
			Lamp Spotlight Floodlight&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>capillary breakup elongational rheometer</td>
			<td>Thermo Scientific (Haake)</td>
			<td>HAAKE CaBER1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>tensile tester</td>
			<td>Stable Micro Systems, Godalming, UK</td>
			<td>TA.XT plus 
			Texture Analyzer&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 N load cell</td>
			<td>Stable Micro Systems, Godalming, UK</td>
			<td>Serialnumber: 10256249</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>a modified capillary rheometer</td>
			<td>G&#246;ttfert Rheograph 2000 (G&#246;ttfert Werkstoff-Pr&#252;fmaschinen GmbH, Buchen Germany)</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>500 bar pressure transducer</td>
			<td>Gefran, Selingenstadt, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

challenges in rheological characterization of highly concentrated suspensions &#8212; a case study for screen-printing silver pastes

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the manifold requirements during processing and application of such complex fluids. In this investigation, measuring protocols for a conclusive assessment of different process relevant rheological parameters have been evaluated. This includes the determination of yield stress, viscosity, wall slip velocity, structural recovery after large deformation and elongation at break as well as tensile force during filament stretching.
The importance of concomitant video recordings during parallel-plate rotational rheometry for a significant determination of rheological quantities is demonstrated. The deformation profile and flow field at the sample edge can be determined using appropriate markers. Thus, measurement parameter settings and plate roughness values can be identified for which yield stress and viscosity measurements are possible. Slip velocity can be measured directly and measuring conditions at which plug flow, shear banding or sample spillover occur can be identified clearly. 
Video recordings further confirm that the change in shear moduli observed during three stage oscillatory shear tests with small deformation amplitude in stage I and III but large oscillation amplitude in stage II can be directly attributed to structural break down and recovery. For the pastes investigated here, the degree of irreversible, shear-induced structural change increases with increasing deformation amplitude in stage II until a saturation is reached at deformations corresponding to the crossover of G' and G'', but the irreversible damage is independent of the duration of large amplitude shear. 
A capillary breakup elongational rheometer and a tensile tester have been used to characterize deformation and breakup behavior of highly filled pastes in uniaxial elongation. Significant differences were observed in all experiments described above for two commercial screen-printing silver pastes used for front side metallization of Si-solar cells.

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Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

A protocol for a robust and application relevant rheological characterization of highly concentrated suspensions is presented. Silver pastes used for screen-printing application in solar cell production are employed as model systems.

Le sfide in reologico Caratterizzazione di sospensioni altamente concentrato - un caso di studio per la serigrafia paste d&#39;argento

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the ...

challenges-rheological-characterization-highly-concentrated

Research

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Engineering

19.8K Views.  Karlsruhe Institute of Technology. A protocol for a robust and application relevant rheological characterization of highly concentrated suspensions is presented. Silver pastes used for screen-printing application in solar cell production are employed as model systems. 

Video: Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions — A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

Un metodo per fabbricare nanostrutture d&#39;argento disconnesse in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

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Evaluating Plasmonic Transport in Current-carrying Silver Nanowires

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information support1,2,3. In this context, metal nanowires are especially desirable for realizing dense routing networks4. A prerequisite to operate such shared nanowire-based platform relies on our ability to electrically contact individual metal nanowires and efficiently excite surface plasmon polaritons5 in this information support. In this article, we describe a protocol to bring electrical terminals to chemically-synthesized silver nanowires6 randomly distributed on a glass substrate7. The positions of the nanowire ends with respect to predefined landmarks are precisely located using standard optical transmission microscopy before encapsulation in an electron-sensitive resist. Trenches representing the electrode layout are subsequently designed by electron-beam lithography. Metal electrodes are then fabricated by thermally evaporating a Cr/Au layer followed by a chemical lift-off. The contacted silver nanowires are finally transferred to a leakage radiation microscope for surface plasmon excitation and characterization8,9. Surface plasmons are launched in the nanowires by focusing a near infrared laser beam on a diffraction-limited spot overlapping one nanowire extremity5,9. For sufficiently large nanowires, the surface plasmon mode leaks into the glass substrate9,10. This leakage radiation is readily detected, imaged, and analyzed in the different conjugate planes in leakage radiation microscopy9,11. The electrical terminals do not affect the plasmon propagation. However, a current-induced morphological deterioration of the nanowire drastically degrades the flow of surface plasmons. The combination of surface plasmon leakage radiation microscopy with a simultaneous analysis of the nanowire electrical transport characteristics reveals the intrinsic limitations of such plasmonic circuitry.

Silver nanowires can simultaneously transport electrons and optical information in the form of surface plasmons. A procedure is described here to realize such a shared circuitry and the limitations at propagating both information carriers are evaluated.

Valutare plasmoniche Trasporti in Current-carrying Argento Nanowires

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information ...

Fabrication of High Contrast Gratings for the Spectrum Splitting Dispersive Element in a Concentrated Photovoltaic System

High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve the solar conversion efficiency of a concentrated photovoltaic system. The proposed system will also lower the solar cell cost in the concentrated photovoltaic system by replacing the expensive tandem solar cells with the cost-effective single junction solar cells. The structures and the parameters of high contrast gratings for the dispersive elements were numerically optimized. The large-area fabrication of high contrast gratings was experimentally demonstrated using nanoimprint lithography and dry etching. The quality of grating material and the performance of the fabricated device were both experimentally characterized. By analyzing the measurement results, the possible side effects from the fabrication processes are discussed and several methods that have the potential to improve the fabrication processes are proposed, which can help to increase the optical efficiency of the fabricated devices.

The fabrication of high contrast gratings as the parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system is demonstrated. Fabrication processes including nanoimprint lithography, TiO2 sputtering and reactive ion etching are described. Reflectance measurement results are used to characterize the optical performance.

Fabbricazione di Grigliati un forte contrasto per la suddivisione Spectrum Dispersive elemento in un sistema fotovoltaico a concentrazione

High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

A Fabrication Method for Highly Stretchable Conductors with Silver Nanowires

Stretchable electronics are identified as a key technology for electronic applications in the next generation. One of the challenges in fabrication of stretchable electronic devices is the preparation of stretchable conductors with great mechanical stability. In this study, we developed a simple fabrication method to chemically solder the contact points between silver nanowire (AgNW) networks. AgNW nanomesh was first deposited on a glass slide via spray coating method. A reactive ink composed of silver nanoparticle (AgNPs) precursors was applied over the spray coated AgNW thin films. After heating for 40 min, AgNPs were preferentially generated over the nanowire junctions to solder the AgNW nanomesh, and reinforced the conducting network. The chemically modified AgNW thin film was then transferred to polyurethane (PU) substrates by casting method. The soldered AgNW thin films on PU exhibited no obvious change in electrical conductivity under stretching or rolling process with elongation strains up to 120%.

A simple synthesis method is used to chemically solder silver nanowire thin film to fabricate highly stretchable and conductive metal conductors.

Un metodo di fabbricazione di conduttori è molto estensibile con argento Nanofili

Stretchable electronics are identified as a key technology for electronic applications in the next generation. One of the challenges in fabrication of ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

Tridimensionale Velocimetry monitoraggio di particelle per applicazioni Turbulence: caso di flusso Jet

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and forging. Adoption of this technique is proceeding despite disagreement concerning the underlying mechanism responsible for EAD. The experimental procedure described herein enables a more explicit study compared to previous EAD research by removing thermal effects, which are responsible for disagreement in interpreting previous EAD results. Furthermore, as the procedure described here enables EAD observation in situ and in real time in a transmission electron microscope (TEM), it is superior to existing post-mortem methods that observe EAD effects post-test. Test samples consist of a single crystal copper (SCC) foil having a free-standing tensile test section of nanoscale thickness, fabricated using a combination of laser and ion beam milling. The SCC is mounted to an etched silicon base that provides mechanical support and electrical isolation while serving as a heat sink. Using this geometry, even at high current density (~3,500 A/mm2), the test section experiences a negligible temperature increase (&#60;0.02 &#176;C), thus eliminating Joule heating effects. Monitoring material deformation and identifying the corresponding changes to microstructures, e.g. dislocations, are accomplished by acquiring and analyzing a series of TEM images. Our sample preparation and in situ experiment procedures are robust and versatile as they can be readily utilized to test materials with different microstructures, e.g., single and polycrystalline copper.

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Isolating electrical and thermal effects on electrically assisted deformation (EAD) is very difficult using macroscopic samples. Metallic sample micro- and nanostructures together with a custom test procedure have been developed to evaluate the impact of applied current on the formation without joule heating and evolution of dislocations on these samples.

Un metodo novello per<em&gt; In Situ</em&gt; Caratterizzazione elettromeccanica dei campioni di nanoscala

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction of degradation mechanisms and prevention of module field failure can consequently decrease investment risks as well as increase the electricity yield. An improved knowledge level can for these reasons significantly decrease the total costs of PV electricity. 
In order to better understand and minimize the degradation of PV modules, the occurring degradation mechanisms and conditions should be identified. This should preferably happen under combined stresses, since modules in the field are also simultaneously exposed to multiple stress factors. Therefore, two 'Combined Stress test with in situ measurement' setups have been designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, illumination, and electrical biases as independently controlled stress factors on solar cells and minimodules. The setups also allow real-time monitoring of the electrical properties of these samples. This protocol presents these setups and describes the experimental possibilities. Moreover, results obtained with these setups are also presented: various examples about the influence of both deposition and degradation conditions on the stability of thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) as well as Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells are described. Results on the temperature dependency of CIGS solar cells are also presented.

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

Two &#39;Combined Stress test with in situ measurement&#39; setups, which allow real-time monitoring of accelerated degradation of solar cells and modules, were designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, electrical biases, and illumination as independently controlled stress factors. The setups and various experiments executed are presented.

In Situ Monitoraggio del degrado prestazioni accelerate di celle e moduli solari: un caso di studio per le celle solari di Cu (In, Ga) Se2

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Fabrication of Ultra-thin Color Films with Highly Absorbing Media Using Oblique Angle Deposition

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present an advanced method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics. The proposed process addresses several fabrication issues, including large area processing. Specifically, the protocol describes a process for fabricating ultra-thin color films using an electron beam evaporator for oblique angle deposition of germanium (Ge) and gold (Au) on silicon (Si) substrates.&#160; Film porosity produced by the oblique angle deposition induces color changes in the ultra-thin film. The degree of color change depends on factors such as deposition angle and film thickness. Fabricated samples of the ultra-thin color films showed improved color tunability and color purity. In addition, the measured reflectance of the fabricated samples was converted into chromatic values and analyzed in terms of color. Our ultra-thin film fabricating method is expected to be used for various ultra-thin film applications such as flexible color electrodes, thin film solar cells, and optical filters. Also, the process developed here for analyzing the color of the fabricated samples is broadly useful for studying various color structures.

We present a detailed method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics for optical coatings. The oblique angle deposition technique using an electron beam evaporator allows improved color tunability and purity. Fabricated films of Ge and Au on Si substrates were analyzed by reflectance measurements and color information conversion.

Fabbricazione di film ultra-sottile di colore con altamente assorbente Media mediante deposizione di angolo obliquo

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present ...

Conducting Elevated Temperature Normal and Combined Pressure-Shear Plate Impact Experiments Via a Breech-end Sabot Heater System

A novel approach for conducting normal and/or combined pressure-shear plate impact experiments at test temperatures up to 1000 &#176;C is presented. The method enables elevated temperature plate-impact experiments aimed towards probing dynamic behavior of materials under thermomechanical extremes, while mitigating several special experimental challenges faced while performing similar experiments using the conventional plate impact approach. Custom adaptations are made to the breech-end of a single-stage gas-gun at Case Western Reserve University; these adaptations include a precision-machined extension piece made from SAE 4340 steel, which is strategically designed to mate the existing gun-barrel while providing a high tolerance match to the bore and keyway. The extension piece contains a vertical cylindrical heater-well, which houses a heater assembly. A resistive coil heater-head, capable of reaching temperatures of up 1200 &#176;C, is attached to a vertical stem with axial/rotational degrees of freedoms; this enables thin metal specimens held at the front-end of a heat-resistant sabot to be heated uniformly across the diameter to the desired test temperatures. By heating the flyer plate (in this case, the sample) at the breech-end of the gun-barrel instead of at the target-end, several critical experimental challenges can be averted. These include: 1) severe changes in the alignment of the target plate during heating due to the thermal expansion of the several constituents of the target holder assembly; 2) challenges that arise due to the diagnostics elements, (i.e., polymer holographic gratings, and optical probes) being too close to the heated target assembly; 3) challenges that arise for target plates with an optical window, where crucial tolerances between the sample, bond layer, and window become increasingly difficult to maintain at high temperatures; 4) in the case of combined compression-shear plate impact experiments, the need for high-temperature resistant diffraction gratings for the measurement of transverse particle velocity at the free surface of the target; and 5) limitations imposed on the impact velocity necessary for unambiguous interpretation of the measured free surface velocity versus time profile due to thermal softening and possibly yielding of the bounding target plates.By utilizing the adaptations mentioned above, we present results from a series of reverse geometry normal plate impact experiments on commercial purity aluminum at a range of sample temperatures. These experiments show decreasing particle velocities in the impacted state, which are indicative of material softening (decrease in post-yield flow stress) with increasing sample temperatures.

Here, we present a detailed protocol of a new approach for conducting elevated temperature reverse normal plate impact, and combined pressure-and-shear plate impact. The approach involves the use of a breech-end resistive coil heater to heat a sample held at the front-end of a heat-resistant sabot to the desired temperature.

Lo svolgimento di elevata temperatura normale e combinato di pressione-taglio piatto impatto esperimenti tramite un sistema di riscaldamento-culatta Sabot

A novel approach for conducting normal and/or combined pressure-shear plate impact experiments at test temperatures up to 1000 &#176;C is presented. The ...