Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten

ASSESSMENT OF SEDIMENT TRANSPORT LOAD IN GOMAL RIVER AND ITS IMPACT ON THE GOMAL ZAM DAM LIFE SPAN

This paper estimates the sediment load transported by Gomal River at Khajuri Katch and Kot Murtaza on yearly-basis. An eight years sediment data (1981-88) compiled by the surface water hydrology division of WAPDA was analyzed and model of power relation was chosen to be fitted to the collected data. Regression analysis was used to establish a correlation between water discharge and sediment load. The model is an attempt to ascertain the rate of erosion in the catchment of the Gomal River since no generalized model has so far been developed to explain the nature of such weathering activities and all such works are situation specific. Relation between the water discharges to sediment load that it carries has been developed to signify the Gomal River catchment’s erosion. The analysis shows that the catchments is  eroding at the rate of 1.67 acre-feet and the sediment water ratio is 3.0% which is the second highest value the world over after Yellow River in China. The variation of different parameters in sediment-water system i.e. water discharge, sediment load, sediment concentration and sediment quality have been estimated from the actual data and are shown by histograms and bar graphs. The relations developed are applicable only to the Gomal River system. It is hoped that the study will invite interest and attention of planners, researchers, and all those concerned with the problems and menace of soil erosion, sediment load concentration in hydraulic structures and its impact over the life span of hydraulic structures i.e. dams deemed to be constructed across the river with the objective to minimize the sedimentation problems

ASSESSMENT OF SEDIMENT TRANSPORT LOAD IN GOMAL RIVER AND ITS IMPACT ON THE GOMAL ZAM DAM LIFE SPAN

This paper estimates the sediment load transported by Gomal River at Khajuri Katch and Kot Murtaza on yearly-basis. An eight years sediment data (1981-88) compiled by the surface water hydrology division of WAPDA was analyzed and model of power relation was chosen to be fitted to the collected data. Regression analysis was used to establish a correlation between water discharge and sediment load. The model is an attempt to ascertain the rate of erosion in the catchment of the Gomal River since no generalized model has so far been developed to explain the nature of such weathering activities and all such works are situation specific. Relation between the water discharges to sediment load that it carries has been developed to signify the Gomal River catchment’s erosion. The analysis shows that the catchments is  eroding at the rate of 1.67 acre-feet and the sediment water ratio is 3.0% which is the second highest value the world over after Yellow River in China. The variation of different parameters in sediment-water system i.e. water discharge, sediment load, sediment concentration and sediment quality have been estimated from the actual data and are shown by histograms and bar graphs. The relations developed are applicable only to the Gomal River system. It is hoped that the study will invite interest and attention of planners, researchers, and all those concerned with the problems and menace of soil erosion, sediment load concentration in hydraulic structures and its impact over the life span of hydraulic structures i.e. dams deemed to be constructed across the river with the objective to minimize the sedimentation problems

Top-Down Approach to Study Chemical and Electronic Properties of Perovskite Solar Cells: Sputtered Depth Profiling Versus Tapered Cross-Sectional Photoelectron Spectroscopies

A study of the chemical and electronic properties of various layers across perovskite solar cell (PSC) stacks is challenging. Depth-profiling photoemission spectroscopy can be used to study the surface, interface, and bulk properties of different layers in PSCs, which influence the overall performance of these devices. Herein, sputter depth profiling (SDP) and tapered cross-sectional (TCS) photoelectron spectroscopies (PESs) are used to study highly efficient mixed halide PSCs. It is found that the most used SDP-PES technique degrades the organic and deforms the inorganic materials during sputtering of the PSCs while the TCS-PES method is less destructive and can determine the chemical and electronic properties of all layers precisely. The SDP-PES dissociates the chemical bonding in the spiro-MeOTAD and perovskite layer and reduces the TiO$_{2}$, which causes the chemical analysis to be unreliable. The TCS-PES revealed a band bending only at the spiro-MeOTAD/perovskite interface of about 0.7 eV. Both the TCS and SDP-PES show that the perovskite layer is inhomogeneous and has a higher amount of bromine at the perovskite/TiO$_{2}$ interface

Multiplexed Covalent Patterns on Double‐Reactive Porous Coating

We have conceptualized and demonstrated an approach based on the combination of hydrophobicity, a substrate‐independent dip coating as porous material with double residual chemical reactivities for implementing multiplexed, miniaturized and unclonable bulk‐infused patterns of different fluorophores following distinct reaction pathways. The embedded hydrophobicity (∼102°) restricted the unwanted spreading of beaded aqueous ink on the coating. The constructions of micropatterns on porous dip‐coating via ink‐jet printing or microchannel cantilever spotting offered orthogonal read‐out and remained readable even after removal of the exterior of the coating

In Silico Characterization of Genetic Alterations Associated with Mal De Meleda

Mal de Meleda (MDM) is an autosomal recessive skin disorder majorly caused by mutations in the ARS gene encoding SLURP-1 protein secreted by Keratinocytes. A number of genetic alterations have already been reported in SLURP1 associated with MDM, theoretically proposed to affect the integrity of the downstream product. There are a no reports available to the best of our knowledge, which characterize the effect of respective mutations at the protein structural level, which is the focus of this study. The protein sequence of SLURP1 was obtained from the UniProt database and the disease associated alterations were retrieved and mined from the literature resources. Domain analysis showed that the protein belongs to the Ly6/uPAR superfamily, has antitumor activity and is also a marker of late skin differentiation. Complete tertiary structure of SLURP1 was predicted as shown in figure 4, for further structural analysis as was not previously determined and was submitted to the PMDB after systematic evaluation and validation (PMDB ID: PM0077826). Structural abnormalities in the protein due to mutations were explored through comparative structural analysis along with interspecies conservation of the respective residue through phylogenetic analysis. It is expected that this systematic structural analysis will enhance our understanding about the disease mechanism and will also help to develop better diagnosis and designing treatment strategies in the near future against MDM and other relevant disorders

High‐Resolution Capillary Printing of Eutectic Gallium Alloys for Printed Electronics

A versatile liquid metal (LM) printing process enabling the fabrication of various fully printed devices such as intra- and interconnect wires, resistors, diodes, transistors, and basic circuit elements such as inverters which are process compatible with other digital printing and thin film structuring methods for integration is presented. For this, a glass capillary-based direct-write method for printing LMs such as eutectic gallium alloys, exploring the potential for fully printed LM-enabled devices is demonstrated. Examples for successful device fabrication include resistors, p–n diodes, and field effect transistors. The device functionality and easiness of one integrated fabrication flow shows that the potential of LM printing is far exceeding the use of interconnecting conventional electronic devices in printed electronics