Fabrication of micro/nano-structures by electrohydrodynamic jet technique

Abstract

Electrohydrodynamic jet (E-Jet) is an approach to the fabrication of micro/nano-structures by the use of electrical forces. In this process, the liquid is subjected to electrical and mechanical forces to form a liquid jet, which is further disintegrated into droplets. The major advantage of the E-Jet technique is that the sizes of the jet formed can be at the nanoscale far smaller than the nozzle size, which can realize high printing resolution with less risk of nozzle blockage. The E-Jet technique, which mainly includesE-Jet deposition and E-Jet printing, has a wide range of applications in the fabrication of micro/nano-structures for micro/nano-electromechanical system devices. This technique is also considered a micro/nano-fabrication method with a great potential for commercial use. This study mainly reviews the E-Jet deposition/printing fundamentals, fabrication process, and applications.

Keywords

electrohydrodynamic jet deposition / electrohydrodynamic jet printing / micro/nano-structures / film

References

[1] Zeleny J. The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces. Physical Review, 1914, 3(2): 69–91

[2] Ramsey R S, Ramsey  J M. Generating electrospray from microchip devices using electroosmotic pumping. Analytical Chemistry, 1997, 69(6): 1174–1178

[3] Xue Q, Foret  F, Dunayevskiy Y M ,  Multichannel microchip electrospray mass spectrometry. Analytical Chemistry, 1997, 69(3): 426–430

[4] Prasetyo F D, Yudistira  H T, Nguyen  V D,  Ag dot morphologies printed using electrohydrodynamic (EHD) jet printing based on a drop-on-demand (DOD) operation. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2013, 23(9): 095028

[5] Corbin E A, Millet  L J, Pikul  J H,  Micromechanical properties of hydrogels measured with MEMS resonant sensors. Biomedical Microdevices, 2013, 15(2): 311–319

[6] Zhang H B, Edirisinghe  M J, Jayasinghe  S N. Flow behaviour of dielectric liquids in an electric field. Journal of Fluid Mechanics, 2006, 558: 103–111

[7] Carswell D J, Milsted  J.A new method for the preparation of thin films of radioactive material of thin films of radioactive material. Journal of Nuclear Energy (1954), 1957, 4(1): 51–54

[8] Bollini R, Sample  S B, Seigal  S D,  Production of monodisperse charged metal particles by harmonic electrical spraying. Journal of Colloid and Interface Science, 1975, 51(2): 272–277

[9] Chen X, Jia  L, Yin X ,  Spraying modes in coaxial jet electrospray with outer driving liquid. Physics of Fluids, 2005, 17(3): 032101

[10] Mei F, Chen  D R. Operational modes of dual-capillary electrospraying and the formation of the stable compound cone-jet mode. Aerosol and Air Quality Research, 2008, 8(2): 218–232

[11] Chang M W, Stride  E, Edirisinghe M . Controlling the thickness of hollow polymeric microspheres prepared by electrohydrodynamic atomization. Journal of the Royal Society Interface, 2010, 7(Suppl4): S451–S460

[12] Mei F, Chen  D R. Investigation of compound jet electrospray: Particle encapsulation. Physics of Fluids, 2007, 19(10): 103303

[13] Farook U, Stride  E, Edirisinghe M J ,  Microbubbling by co-axial electrohydrodynamic atomization. Medical & Biological Engineering & Computing, 2007, 45(8): 781–789

[14] Jaworek A. Electrospray droplet sources for thin film deposition. Journal of Materials Science, 2007, 42(1): 266–297

[15] Vonnegut B, Neubauer  R L. Production of monodisperse liquid particles by electrical atomization. Journal of Colloid Science, 1952, 7(6): 616–622

[16] Jaworek A, Machowski  W, Krupa A ,  Viscosity effect on EHD spraying using AC superimposed on DC electric field. In: Proceedings of the 2000 IEEE Industry Applications Conference. Rome: IEEE, 2000, 770–776

[17] Kulon J, Jaworek  A, Machowski W ,  Electrohydrodynamic atomization of viscous liquids. Institute of Physics Conference Series, 2003, 178: 181–186

[18] Sato M, Miyazaki  H, Sadakata M ,  Production of uniformly sized liquid droplets under applied AC field by means of rotating multinozzle system. In: Proceedings of the 4th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems. Sendai, 1988, 161–165

[19] Sato M. The production of essentially uniform-sized liquid droplets in gaseous or immiscible liquid media under applied a.c. potential. Journal of Electrostatics, 1984, 15(2): 237–247

[20] Sato M. Formation of uniformly sized liquid droplets using spinning disk under applied electrostatic field. IEEE Transactions on Industry Applications, 1991, 27(2): 316–322

[21] Slamovich E B ,  Lange F F . Spherical zirconia particles via electrostatic atomization: Fabrication and sintering characteristics. Material Research Society Symposium Proceedings, 1988, 257–262

[22] Ambrus R, Radacsi  N, Szunyogh T ,  Analysis of submicron-sized niflumic acid crystals prepared by electrospray crystallization. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2013, 76: 1–7

[23] Hazeri N, Tavanai  H, Moradi A R . Production and properties of electrosprayed sericin nanopowder. Science and Technology of Advanced Materials, 2016, 13(3): 035010

[24] Almería B, Gomez  A. Electrospray synthesis of monodisperse polymer particles in a broad (60 nm–2 mm) diameter range: Guiding principles and formulation recipes. Journal of Colloid and Interface Science, 2014, 417: 121–130

[25] Suksamran T, Ngawhirunpat  T, Rojanarata T ,  Methylated N-(4-N,N-dimethylaminocinnamyl) chitosan-coated electrospray OVA-loaded microparticles for oral vaccination. International Journal of Pharmaceutics, 2013, 448(1): 19–27

[26] Cao L, Luo  J, Tu K ,  Generation of nano-sized core-shell particles using a coaxial tri-capillary electrospray-template removal method. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2014, 115: 212–218

[27] Balachandran W, Machowski  W, Ahmad C N . Electrostatic atomization of conducting liquids using AC superimposed on DC fields. IEEE Transactions on Industry Applications, 1994, 30(4): 850–855

[28] Dudout B, Marijnissen  J C M, Scarlett  B. Use of EHDA for the production of nanoparticles. Journal of Aerosol Science, 1999, 30(Suppl1): S687–S688

[29] Hogan C J  Jr,  Yun K M ,  Chen D R ,  Controlled size polymer particle production via electrohydrodynamic atomization. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2007, 311(1–3): 67–76

[30] Lewis K C, Dohmeier  D M, Jorgenson  J W,  Electrospray-condensation particle counter: A moleculecounting LC detector for macromolecules. Analytical Chemistry, 1994, 66(14): 2285–2292

[31] Chen D R, Pui  D, Kaufman Y H . Electrospraying of conducting liquids for monodisperse aerosol generation in the 4 nm to 1.8 mm diameter range. Journal of Aerosol Science, 1995, 26(6): 963–977

[32] Meesters G M H ,  Vercoulen P H W ,  Marijnissen J C M ,  A monodisperse-aerosol-generator using the Taylor cone for the production of 1 mm droplets. Journal of Aerosol Science, 1990, 21(Suppl1): S669–S672

[33] Borra J P, Camelot  D, Marijnissen J C M ,  New aerosol generator based on mixing of droplets through electrical forces: Production of particles with controlled properties. Journal of Aerosol Science, 1996, 27(Suppl1): S181–S182

[34] Moon J H, Yi  G R, Yang  S M,  Electrospray-assisted fabrication of uniform photonic balls. Advanced Materials, 2004, 16(7): 605–609

[35] Hong S H, Moon  J H, Lim  J M,  Fabrication of spherical colloidal crystals using electrospray. Langmuir, 2005, 21(23): 10416–10421

[36] Tang K, Gomez  A. Generation by electrospray of monodisperse water droplets for targeted drug delivery by inhalation. Journal of Aerosol Science, 1994, 25(6): 1237–1249

[37] Kim S G, Choi  K H, Eun  J H,  Erratum to ‘Effects of additives on properties on MgO thin films by electrostatic spray deposition’: [Thin Solid Films 377–378 (2000) 694]. Thin Solid Films, 2001, 392(1): 149

[38] Elidrissi B, Addou  M, Regragui M ,  Structural and optical properties of CeO₂ thin films prepared by spray pyrolysis. Thin Solid Films, 2000, 379(1–2): 23–27

[39] Mahmood K, Park  S B. Conductivity enhancement by fluorine doping in boron-doped ZnO thin films deposited by the electrospraying method. Journal of Crystal Growth, 2012, 361: 30–37

[40] Ni D, Yi  W, Cao Z ,  Titanium dioxide thin film deposited on flexible substrate by multi-jet electrospraying. SPIE Proceedings, Micro/Nano Optical Manufacturing Technologies; and Laser Processing and Rapid Prototyping Techniques, 2015, 9673: 967310

[41] Ahire J J, Dicks  L M T. Antimicrobial hyaluronic acid-cefoxitin sodium thin films produced by electrospraying. Current Microbiology, 2016, 73(2): 236–241

[42] Muhammad N M, Duraisamy  N, Rahman K ,  Fabrication of printed memory device having zinc-oxide active nano-layer and investigation of resistive switching. Current Applied Physics, 2013, 13(1): 90–96

[43] Zhou Q F, Chan  H L W, Choy  C L. PZT ceramic/ceramic 0–3 nanocomposite films for ultrasonic transducer applications. Thin Solid Films, 2000, 375(1–2): 95–99

[44] Jayasinghe S N ,  Edirisinghe M J ,  Wang D. Controlled deposition of nanoparticle clusters by electrohydrodynamic atomization. Nanotechnology, 2004, 15(11): 1519–1523

[45] Chen Q Z, Boccaccini  A R, Zhang  H B,  Improved mechanical reliability of bone tissue engineering (zirconia) scaffolds by electrospraying. Journal of the American Ceramic Society, 2006, 89(5): 1534–1539

[46] Sun D, Rocks  S A, Wang  D,  Novel forming of columnar lead zirconate titanate structures. Journal of the European Ceramic Society, 2008, 28(16): 3131–3139

[47] Wang D, Edirisinghe  M J, Dorey  R A. Formation of PZT crack-free thick films by electrohydrodynamic atomization deposition. Journal of the European Ceramic Society, 2008, 28(14): 2739–2745

[48] Zhu T, Li  C, Yang W ,  Electrospray dense suspensions of TiO₂ nanoparticles for dye sensitized solar cells. Aerosol Science and Technology, 2013, 47(12): 1302–1309

[49] Jayasinghe S N ,  Edirisinghe M J ,  De Wilde T . A novel ceramic printing technique based on electrostatic atomization of a suspension. Materials Research Innovations, 2002, 6(3): 92–95

[50] Jayasinghe S N ,  Edirisinghe M J . A novel process for simulataneous printing of multiple tracks from concentrated suspensions. Materials Research Innovations, 2003, 7(2): 62–64

[51] Wang D, Jayasinghe  S N, Edirisinghe  M J. High resolution print-patterning of a nano-suspension. Journal of Nanoparticle Research, 2005, 7(2–3): 301–306

[52] Chang S C, Liu  J, Bharathan J ,  Multicolor organic light-emitting diodes processed by hybrid inkjet printing. Advanced Materials, 1999, 11(9): 734–737

[53] Park J U, Hardy  M, Kang S J ,  High-resolution electrohydrodynamic jet printing. Nature Materials, 2007, 6(10): 782–789

[54] Sutanto E, Tan  Y, Onses M S ,  Electrohydrodynamic jet printing of micro-optical devices. Manufacturing Letters, 2014, 2(1): 4–7

[55] Wang D, Edirisinghe  M J, Jayasinghe  S N. Solid freeform fabrication of thin-walled ceramic structures using an electrohydrodynamic jet. Journal of the American Ceramic Society, 2006, 89(5): 1727–1729

[56] An B W, Kim  K, Lee H ,  High-resolution printing of 3D structures using an electrohydrodynamic inkjet with multiple functional inks. Advanced Materials, 2015, 27(29): 4322–4328

[57] Wang D, Jayasinghe  S N, Edirisinghe  M J,  Coaxial electrohydrodynamic direct writing of nano-suspensions. Journal of Nanoparticle Research, 2007, 9(5): 825–831

[58] Lee D Y, Shin  Y S, Park  S E,  Electrohydrodynamic printing of silver nanoparticles by using a focused nanocolloid jet. Applied Physics Letters, 2007, 90(8): 081905

[59] Yogi O, Kawakami  T, Mizuno A . Properties of droplet formation made by cone jet using a novel capillary with an external electrode. Journal of Electrostatics, 2006, 64(7–9): 634–638

[60] Juraschek R, Röllgen  F W. Pulsation phenomena during electrospray ionization. International Journal of Mass Spectrometry, 1998, 177(1): 1–15

[61] Kim J, Oh  H, Kim S S . Electrohydrodynamic drop-on-demand patterning in pulsed cone-jet mode at various frequencies. Journal of Aerosol Science, 2008, 39(9): 819–825

[62] Mishra S, Barton  K L, Alleyne  A G,  High-speed and drop-on-demand printing with a pulsed electrohydrodynamic jet. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2010, 20(9): 095026

[63] Xu L, Wang  X, Huang Y ,  Jetting frequency vs voltage frequency in the low-frequency pulsation mode of electrohydrodynamic printing. In: Proceedings of the 5th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). IEEE, 2010, 329–332 

[64] Chen C H, Saville  D A, Aksay  I A. Scaling laws for pulsed electrohydrodynamic drop formation. Applied Physics Letters, 2006, 89(12): 124103

[65] Kim Y J, Kim  S Y, Lee  J S,  On-demand electrohydrodynamic jetting with meniscus control by a piezoelectric actuator for ultra-fine patterns. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, 19(10): 107001

[66] Stachewicz U, Yurteri  C U, Marijnissen  J C M,  Stability regime of pulse frequency for single event electrospraying. Applied Physics Letters, 2009, 95(22): 224105

[67] Wei C, Qin  H, Ramírez-Iglesias N A,  High-resolution ac-pulse modulated electrohydrodynamic jet printing on highly insulating substrates. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2014, 24(4): 045010

[68] Perelaer J, Smith  P J, Mager  D,  Printed electronics: The challenges involved in printing devices, interconnects, and contacts based on inorganic materials. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(39): 8446–8453

[69] Klauk H. Organic thin-film transistors. Chemical Society Reviews, 2010, 39(7): 2643–2666

[70] Sekitani T, Someya  T. Ambient electronics. Japanese Journal of Applied Physics, 2012, 51(10R): 100001

[71] Wang K, Paine  M D, Stark  J P W. Fully voltage-controlled electrohydrodynamic jet printing of conductive silver tracks with a sub-100 mm linewidth. Journal of Applied Physics, 2009, 106(2): 024907

[72] Rahman K, Ali  K, Muhammad N M ,  Fine resolution drop-on-demand electrohydrodynamic patterning of conductive silver tracks on glass substrate. Applied Physics A: Materials Science & Processing, 2013, 111(2): 593–600

[73] Son S, Lee  S, Choi J . Fine metal line patterning on hydrophilic non-conductive substrates based on electrohydrodynamic printing and laser sintering. Journal of Electrostatics, 2014, 72(1): 70–75

[74] Lee S, Kim  J, Choi J ,  Patterned oxide semiconductor by electrohydrodynamic jet printing for transparent thin film transistors. Applied Physics Letters, 2012, 100(10): 102108

[75] Jeong S, Lee  J Y, Lee  S S,  Metal salt-derived In-Ga-Zn-O semiconductors incorporating formamide as a novel co-solvent for producing solution-processed, electrohydrodynamic-jet printed, high performance oxide transistors. Journal of Materials Chemistry C: Materials for Optical and Electronic Devices, 2013, 1(27): 4236–4243

[76] Jeong S, Lee  S H, Jo  Y,  Air-stable, surface-oxide free Cu nanoparticles for highly conductive Cu ink and their application to printed graphene transistors. Journal of Materials Chemistry C: Materials for Optical and Electronic Devices, 2013, 1(15): 2704–2710

[77] Kwack Y J, Choi  W S. Electrohydrodynamic jet spraying technique for oxide thin-film transistor. IEEE Electron Device Letters, 2013, 34(1): 78–80

[78] Lee Y G, Choi  W S. Electrohydrodynamic jet-printed zinc-tin oxide TFTs and their bias stability. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(14): 11167–11172

[79] Sekitani T, Noguchi  Y, Zschieschang U ,  Organic transistors manufactured using inkjet technology with subfemtoliter accuracy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(13): 4976–4980

[80] Duraisamy N, Muhammad  N M, Kim  H C,  Fabrication of TiO₂ thin film memristor device using electrohydrodynamic inkjet printing. Thin Solid Films, 2012, 520(15): 5070–5074

[81] Byun S U, Park  H G, Lee  K I,  Application of electrohydrodynamic printing for liquid crystal alignment. Electrochemical and Solid-State Letters, 2012, 15(6): J28–J30

[82] Park H G, Byun  S U, Jeong  H C,  Photoreactive spacer prepared using electrohydrodynamic printing for application in a liquid crystal device. ECS Solid State Letters, 2013, 2(12): R52–R54

[83] Back S Y, Song  C H, Yu  S,  Drop-on-demand printing of carbon black ink by electrohydrodynamic jet printing. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2012, 12(1): 446–450

[84] Talapin D V, Steckel  J. Quantum dot light-emitting devices. MRS Bulletin, 2013, 38(09): 685–691

[85] Jang H S, Yang  H, Kim S W ,  White light-emitting diodes with excellent color rendering based on organically capped CdSe quantum dots and Sr₃SiO₅: Ce³⁺, Li⁺ phosphors. Advanced Materials, 2008, 20(14): 2696–2702

[86] Xiang H, Yu  S, Che C ,  Efficient white and red light emission from GaN/tris-(8-hydroxyquinolato) aluminum/platinum (II) meso-tetrakis (pentafluorophenyl) porphyrin hybrid light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 2003, 83(8): 1518–1520

[87] Cho K S, Lee  E K, Joo  W J,  High-performance crosslinked colloidal quantum-dot light-emitting diodes. Nature Photonics, 2009, 3(6): 341–345

[88] Bae W K, Brovelli  S, Klimov V I . Spectroscopic insights into the performance of quantum dot light-emitting diodes. MRS Bulletin, 2013, 38(9): 721–730

[89] Supran G J, Shirasaki  Y, Song K W ,  QLEDs for displays and solid-state lighting. MRS Bulletin, 2013, 38(9): 703–711

[90] Kim B H, Onses  M S, Lim  J B,  High-resolution patterns of quantum dots formed by electrohydrodynamic jet printing for light-emitting diodes. Nano Letters, 2015, 15(2): 969–973

[91] Choi K H, Zubair  M, Dang H W . Characterization of flexible temperature sensor fabricated through drop-on-demand electrohydrodynamics patterning. Japanese Journal of Applied Physics, 2014, 53(5S3): 05HB02

[92] Song C H, Back  S Y, Yu  S I,  Direct-patterning of porphyrin dot arrays and lines using electrohydrodynamic jet printing. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2012, 12(1): 475–480

[93] Pikul J H, Graf  P, Mishra S ,  High precision electrohydrodynamic printing of polymer onto microcantilever sensors. IEEE Sensors Journal, 2011, 11(10): 2246–2253

[94] George S, Chaudhery  V, Lu M ,  Sensitive detection of protein and miRNA cancer biomarkers using silicon-based photonic crystals and a resonance coupling laser scanning platform. Lab on a Chip, 2013, 13(20): 4053–4064

[95] Kim S, Mariotti  C, Alimenti F ,  No battery required: Perpetual RFID-enabled wireless sensors for cognitive intelligence applications. IEEE Microwave Magazine, 2013, 14(5): 66–77

[96] Rao K V S ,  Nikitin P V ,  Lam S F . Antenna design for UHF RFID tags: A review and a practical application. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2005, 53(12): 3870–3876

[97] Arrabito G, Pignataro  B. Solution processed micro-and nano-bioarrays for multiplexed biosensing. Analytical Chemistry, 2012, 84(13): 5450–5462

[98] Onses M S, Pathak  P, Liu C C ,  Localization of multiple DNA sequences on nanopatterns. ACS Nano, 2011, 5(10): 7899–7909

[99] Park J U, Lee  J H, Paik  U,  Nanoscale patterns of oligonucleotides formed by electrohydrodynamic jet printing with applications in biosensing and nanomaterials assembly. Nano Letters, 2008, 8(12): 4210–4216

[100] Poellmann M J ,  Barton K L ,  Mishra S ,  Patterned hydrogel substrates for cell culture with electrohydrodynamic jet printing. Macromolecular Bioscience, 2011, 11(9): 1164–1168

[101] Shigeta K, He  Y, Sutanto E ,  Functional protein microarrays by electrohydrodynamic jet printing. Analytical Chemistry, 2012, 84(22): 10012–10018

[102] Hwang T H, Kim  J B, Yang  D S,  Targeted electrohydrodynamic printing for micro-reservoir drug delivery systems. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2013, 23(3): 035012

Acknowledgement

This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51475081), the Science Fund for Creative Research Groups of NSFC (Grant No. 51621064), and the Dalian Municipal Science and Technology Plan Project (Grant No. 2015A11GX002).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg