Программированная кривизна при струйной печати позволяет адаптивно наносить материалы для гауссовских лазерных спеканий

Формирование света для улучшения электроники

Многие современные устройства — от смартфонов до солнечных панелей — зависят от ультратонких металлических и оксидных пленок, которые должны быть одновременно высоко проводящими и в ряде случаев прозрачными. Такие пленки часто получают или «спекают» с помощью лазеров. Поскольку большинство лазеров по‑природе имеют ярный центр и более тусклые края, они склонны перегревать среднюю часть пленки и недогревать края, что приводит к дефектам, потере энергии и ухудшению характеристик. В этом исследовании предложен новый путь обхода этой проблемы: вместо того чтобы менять сам лазер, авторы подстраивают форму нанесённого материала так, чтобы она естественным образом соответствовала распределению яркости пучка.

Почему пятно лазера — скрытая проблема

Промышленные лазеры почти всегда имеют гауссов профиль: интенсивность света максимальна в центре пятна и плавно убывает к краям. Когда такой пучок сканирует по плоской, равномерно толстой пленке из наночастиц, центр получает слишком много энергии и может испаряться или аблатироваться, а края получают слишком мало и остаются частично несвязанными. Инженеры пытались исправить это, добавляя оптику для выравнивания профиля пучка, но такие формирователи пучка дороги, громоздки, теряют более трети энергии лазера и имеют ограниченный срок службы. По мере перехода производства к гибкой электронике и 3D‑печати металлов эти недостатки становятся всё более существенными.

Превращение пленки в плавный холм

Авторы предлагают иную тактику: оставить простой гауссов лазер и вместо этого варьировать толщину напечатанной пленки так, чтобы в каждой точке она поглощала нужное количество энергии. С помощью анализа теплопередачи они выводят, сколько энергии нужно каждому срезу материала для правильного спекания, а затем рассчитывают соответствующий профиль толщины. Идеальная форма оказывается гладким, гауссовоподобным бугорком: толще в центре, где лазер сильнее, и тоньше по краям, где свет слабее. При сканировании обычным лазером такая «изогнутая» дорожка поглощает избыточную энергию в центре благодаря увеличенной толщине, а тонкие края эффективнее используют слабое излучение, что приводит к почти равномерному нагреву и росту зерен по всей ширине.

Печать изогнутых дорожек по кирпичику

Проектирование идеальной кривой на бумаге недостаточно — её нужно уметь изготовить. Команда использует струйную печать чернилами с наночастицами, чтобы строить нужную форму путем контролируемого наслоения множества узких, почти прямоугольных «базовых» дорожек. Сначала они решают классическую проблему печати — эффект кольца от кофе, при котором при высыхании капли остаётся толстый ободок и тонкий центр — используя двухрастворительные чернила и нагрев подложки так, чтобы внутренние потоки в каждой капле компенсировали друг друга и давали линии с плоской вершиной. Настраивая температуру и шаг капель, им удаётся стабильно печатать базовые дорожки известной ширины и высоты. Затем, перекрывая эти дорожки с тщательно подобранными смещениями, они собирают гладкое, гауссовоподобное поперечное сечение, которое очень близко соответствует рассчитанному идеалу — с отклонением меньше 2%.

Более резкие схемы и чище стекло

Чтобы продемонстрировать возможности подхода, исследователи применили его к двум типам проводящих дорожек: прозрачным плёнкам из индий‑оловянного оксида (ITO) на стекле и медным (Cu) проводникам на изогнутых поверхностях. Для ITO изогнутые профили дают до 3,8 раза большую электрическую проводимость по сравнению со стандартными плоскими плёнками при той же массе материала, одновременно слегка увеличивая пропускание видимого света примерно на 5%. Получившееся проводящее стекло сохраняет характеристики при многократных циклах нагрева‑охлаждения и даже показывает лучшее пропускание под косыми углами благодаря своей мягкой структуре, похожей на «глаз моли». Для меди изогнутые дорожки достигают проводимости примерно в 1,6 раза выше, чем плоские дорожки, обработанные лазером, и превосходят как системы с формированием пучка, так и традиционное печное спекание, при этом расходуя меньше энергии и не повреждая термочувствительные подложки, такие как пластиковые плёнки.

Простая идея с широким охватом

Проще говоря, работа показывает: не всегда нужен более сложный фонарик — иногда достаточно подрезать свечу под свет. Математически проектируя и струйно печатая изогнутые пленки, которые повторяют профиль яркости обычных лазеров, авторы добиваются более равномерного спекания, большей проводимости и лучшей прозрачности без сложной оптики. Стратегия «программируемой кривизны» при печати может упростить и удешевить создание высокопроизводительной гибкой электроники, прозрачных обогревателей, антенн и 3D‑напечатанных металлических деталей с использованием тех же гауссовских лазеров, которые уже широко распространены в промышленности.

Цитирование: Chen, X., Zhang, M., Zhu, J. et al. Curvature programmed inkjet printing enables adaptive deposition for Gaussian sintering lasers. Nat Commun 17, 2006 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68613-y

Ключевые слова: лазерное спекание, струйная печать электронных компонентов, прозрачные проводящие пленки, формирование гауссового пучка, гибкие схемы