REVIEW ARTICLE

Fabrication of micro/nano-structures by electrohydrodynamic jet technique

  • Dazhi WANG , 1,2 ,
  • Xiaojun ZHAO 1 ,
  • Yigao LIN 1 ,
  • Tongqun REN 1,2 ,
  • Junsheng LIANG 1,2 ,
  • Chong LIU 1,2 ,
  • Liding WANG 1,2
Expand
  • 1. Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
  • 2. Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of the Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China

Received date: 24 Feb 2017

Accepted date: 08 May 2017

Published date: 31 Oct 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

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.

Cite this article

Dazhi WANG , Xiaojun ZHAO , Yigao LIN , Tongqun REN , Junsheng LIANG , Chong LIU , Liding WANG . Fabrication of micro/nano-structures by electrohydrodynamic jet technique[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2017 , 12(4) : 477 -489 . DOI: 10.1007/s11465-017-0461-y

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).
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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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 

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

Outlines

/