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.

Key words： electrohydrodynamic jet deposition; electrohydrodynamic jet printing; micro/nano-structures; film

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).

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