Mechanizmy formowania mikrostruktur o grubości jednej cząstki oraz właściwości fizyczne wytworzonych struktur

Abstract

Opracowano niskokosztową metodę wytwarzania jednowymiarowych mikrostruktur o grubości pojedynczej cząstki i ich konwersji w trwałe, wysoko-przewodzące mikrościeżki. Pokazano, że pole elektryczne, wspomagane siłami kapilarnymi, wyciąga przewodzące mikrocząstki z cieczy, tworząc wolnostojące łańcuchy; wyjaśniono role mostka cząstka–menisk (ekstrakcja) i cząstka–cząstka (stabilizacja). Wprowadzono skalowalny wariant z meniskiem na końcówce przewodu pełniącego funkcję elektrody, umożliwiający precyzyjne sterowanie długością i pozycją łańcuchów. Modelowanie elektrostatyczne MES ilościowo opisało przyciąganie pierwszej cząstki do podłoża oraz wpływ materiału, grubości i geometrii podłoża oraz wilgotności. Połączono eksperymenty z MES, najpierw kalibrując parametry na pojedynczych mikrokulkach lutowia, a następnie na łańcuchach, mapując zależność siła–przemieszczenie, wzrost kontaktu i płynięcie plastyczne. Zbadano dwie ścieżki post-obróbki: mechaniczne ściskanie, które beznarzędziowo tworzy ciągłe mikrościeżki o niskiej rezystancji, oraz zgrzewanie Joule’a przy stałej mocy, dające szybki, lokalny wzrost szyjek. Pomiary in-situ i sprzężone symulacje elektro-termiczne potwierdziły związek między spadkiem rezystancji a wytrzymałością oraz efekt samolimitacji. Wyniki umożliwiają szybkie, precyzyjne i zrównoważone wytwarzanie rekonfigurowalnych połączeń dla druku i elastycznej elektroniki, miękkich urządzeń i mezometamateriałów.

A low-cost route is presented to assemble one-dimensional, single-particle-thick microstructures and convert them into durable, highly conductive micro-tracks. Electric fields, aided by capillarity, extract conductive microparticles from a liquid to form freestanding chains; we clarify the roles of particle–meniscus (extraction) and particle–particle (stabilization) bridges. A scalable variant uses a dispersion meniscus at a conduit/electrode tip, enabling precise control of chain length and placement. Finite-element electrostatic models quantify attraction to the substrate and the influence of substrate material, thickness, geometry, and ambient humidity. Experiments combined with FEA first calibrate compressive deformation on single solder microspheres, then on chains, mapping force–displacement, contact growth, and plastic flow. Two post-processing routes are demonstrated: tool-less mechanical compression to form continuous, low-resistance tracks, and Joule joining under constant power that rapidly fuses contacts. In-situ resistance and coupled electro-thermal simulations reveal a link between resistance drop and strength and self-limiting behavior. The approach enables rapid, precise, and sustainable fabrication of reconfigurable interconnects for printed/flexible electronics, soft devices, and mesoscale metamaterials.