(57)【要約】      （修正有）【課題】導電性インクでの使用に適した共晶金属合金ナノ粒子の製造方法の提供。【解決手段】少なくとも１つの有機極性溶媒と、少なくとも１つの有機アミン安定剤と、及び１つの共晶金属合金と、を混合して混合物を作ることと、共晶金属合金の融点より高い温度で混合物を超音波処理することと、及び約０．５ナノメートル〜約５０００ナノメートル未満の範囲の平均粒径を有する複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む組成物を混合物から収集することと、を含む方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
共晶金属合金ナノ粒子の製造方法であって、少なくとも１つの有機極性溶媒と、少なくとも１つの有機アミン安定剤と、及び１つの共晶金属合金と、を混合して混合物を作ることと、共晶金属合金の融点より高い温度で混合物を超音波処理することと、及び約０．５ナノメートル〜約５０００ナノメートル未満の範囲の平均粒径を有する複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む組成物を混合物から収集することと、を含む方法。
【請求項２】
共晶金属合金ナノ粒子が、フィールド金属合金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの有機極性溶媒が、約３０℃〜約２００℃の範囲の温度に加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１つの有機極性溶媒が、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、ジ（プロピレングリコール）メチルエーテルアセテート、（プロピレングリコール）メチルエーテル、ジ（プロピレングリコール）メチルエーテル、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトンから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの有機極性溶媒が、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの有機極性溶媒が、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミンオクチルアミン、３−メトキシプロピルアミン、ペンタエチレンヘキサミン、２，２−（エチレンジオキシ）ジエチルアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、及びジエチレントリアミン、１，１１−ジアミノ−３，６，９−トリオキサウンデカン、２，２’−（エチレンジオキシ）ビス（エチルアミン）、及び２−（２−アミノエトキシ）エチルアミンから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つの有機極性溶媒が、約１分間〜約１時間の期間に約１００％のパワーで超音波処理される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
共晶金属合金ナノ粒子が、約５０ナノメートル〜約８００ナノメートルの平均粒径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
導電性インク用組成物であって、約０．５ナノメートル〜約５０００ナノメートル未満の範囲の平均粒径を有する複数の共晶金属合金ナノ粒子と、少なくとも１つの有機アミン安定剤と、を含む、導電性インク用組成物。
【請求項１０】
共晶金属合金ナノ粒子が、フィールド金属合金を含む、請求項９に記載の導電性インク用組成物。
【請求項１１】
少なくとも一つの有機極性溶媒をさらに含む、請求項９に記載の導電性インク用組成物。
【請求項１２】
少なくとも一つの有機極性溶媒が、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、ジ（プロピレングリコール）メチルエーテルアセテート、（プロピレングリコール）メチルエーテル、ジ（プロピレングリコール）メチルエーテル、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン、及び１−フェノキシ−２−プロパノールから選択される、請求項１１に記載の導電性インク用組成物。
【請求項１３】
共晶金属合金ナノ粒子が、約５０ナノメートル〜約８００ナノメートルの範囲の平均粒径を有する、請求項９に記載の導電性インク用組成物。
【請求項１４】
共晶金属合金ナノ粒子が、約６０ナノメートル〜約２５０ナノメートルの範囲の平均粒径を有する、請求項９に記載の導電性インク用組成物。
【請求項１５】
少なくとも１つの有機アミン安定剤が、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミンオクチルアミン、３−メトキシプロピルアミン、ペンタエチレンヘキサミン、２，２−（エチレンジオキシ）ジエチルアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、及びジエチレントリアミン、１，１１−ジアミノ−３，６，９−トリオキサウンデカン、２，２’−（エチレンジオキシ）ビス（エチルアミン）、及び２−（２−アミノエトキシ）エチルアミンから選択される、請求項９に記載の導電性インク用組成物。
【請求項１６】
ハイブリッド導電性インク組成物であって、複数の金属ナノ粒子を含む成分と、複数の共晶金属合金ナノ粒子と、少なくとも１つの有機アミン安定剤と、を含み、ここで、共晶金属合金ナノ粒子が、約０．５〜約１０００ナノメートル未満の範囲の平均粒径を有する、ハイブリッド導電性インク組成物。
【請求項１７】
複数の金属ナノ粒子が、銀ナノ粒子である、請求項１６に記載のハイブリッド導電性インク。
【請求項１８】
銀ナノ粒子が、約０．５ナノメートル〜約１００ナノメートルの範囲の平均粒径を有する、請求項１７に記載のハイブリッド導電性インク。
【請求項１９】
複数の金属ナノ粒子が、フィールド金属合金を含む、請求項１６に記載のハイブリッド導電性インク。
【請求項２０】
共晶金属合金ナノ粒子と金属ナノ粒子との重量比が、約１：２０〜約１：５の範囲である、請求項１６に記載のハイブリッド導電性インク。
【請求項２１】
ハイブリッド導電性インクの粘度が、約２センチポアズ〜約２００センチポアズの範囲である、請求項１６に記載のハイブリッド導電性インク。
【請求項２２】
ハイブリッド導電性インクの粘度が、約５０ナノメートル〜約８００ナノメートルの範囲の平均粒径を有する、請求項１６に記載のハイブリッド導電性インク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、共晶金属合金ナノ粒子、及び共晶金属合金ナノ粒子を含む導電性インク用の組成物に関する。本明細書に開示される共晶金属合金ナノ粒子は、少なくとも一つの溶媒、少なくとも一つの有機アミン安定剤、及び共晶金属合金を混合して混合物を作り、次いで混合物を超音波処理して共晶金属合金ナノ粒子を含む分散液を形成することによって製造され得る。本明細書は、共晶金属ナノ粒子が約０．５ナノメートル〜約１０００ナノメートル未満の範囲の平均粒径を有する、複数の銀ナノ粒子及び複数の共晶金属ナノ粒子を含む導電性インク組成物を更に開示する。
【０００２】
プリンテッドエレクトロニクス、又は液相堆積技術を用いた電子部品の製造は、最近大きな関心を集めている。そのような技術は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＲＦＩＤタグ、光電池、プリントメモリなどの電子用途のための従来の主流のアモルファスシリコン技術に対する潜在的に低コストの代替物を提供し得る。しかし、液体を使用したプリンテッドエレクトロニクスを実用化するための導電性、加工、形態、及びコストの要件を満たすことは困難であった。
【０００３】
電子回路素子を製造するための伝統的な方法は高温と高圧を必要とする。したがって、相互接続などの導電性素子は、通常、シリコンなどの硬質表面上に形成される。高温及び高圧は、プリンテッドエレクトロニクスに利用可能な材料の使用、例えば、約１５０℃以下などの低温で溶融するフレキシブルプラスチック基材の使用を制限する。
【０００４】
特定の導電性材料は、低融解温度についての当技術分野において既知であるため、フレキシブルプラスチック基材を含む広範囲の基材上での使用に適する可能性がある。例えば、銀ナノ粒子を含むインクは、高い銀含有量、低粘度、及び１４５℃以下の融解温度を有し得る。したがって、銀ナノ粒子を含むインクは、銀粒子を低温で結合（焼結）することによって導電性素子を形成することができる。
【０００５】
しかしながら、これらの利点にも関わらず、銀ナノ粒子インクは単独では、電子部品を基礎となる回路又は基材に接着するのに十分な接着力が得られないことが多く、したがって相互接続としてのそれらの使用が制限される。
【０００６】
ある種の液体金属は、導電性インク用及びフレキシブルプリントエレクトロニクス用の潜在的に有用な材料として確立している。例えばガリウム、インジウム、ビスマス、及びスズを含み得るこれらの液体金属を、銀ナノ粒子インクなどの導電性インクに添加して、ハイブリッド導電性インクを作り得る。しかしながら、液体金属粒子は、それらのより大きなサイズ及び高い密度のために、結果として、得られたインク組成物の不十分な分散性、及び貧弱な吐出性をもたらすおそれがある。
【０００７】
したがって、印刷を可能にし、相互接続及びトレース、電極などの導電性構造をフレキシブルプラスチック基材を含む、さまざまな基材上に製造するのに適した吐出可能なインク組成物が当技術分野において必要とされている。
【０００８】
本明細書に開示されるのは、導電性インクでの使用に適した共晶金属合金ナノ粒子である。一実施形態では、約０．５ナノメートル〜約１０００ナノメートル、約５０ナノメートル〜約８００ナノメートル未満などの約０．５ナノメートル〜約５０００ナノメートルの範囲の平均粒径を有する複数の共晶金属合金ナノ粒子及び少なくとも一つの有機アミン安定剤を含む組成物が提供される。特定の実施形態では、共晶金属合金ナノ粒子はフィールド金属合金を含み、特定の実施形態では、組成物は銀ナノ粒子などの金属ナノ粒子を含まない。
【０００９】
特定の実施形態では、組成物は、少なくとも一つの有機極性溶媒、例えばプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、ジ（プロピレングリコール）メチルエーテルアセテート、（プロピレングリコール）メチルエーテル、ジ（プロピレングリコール）メチルエーテル、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトンのうちの少なくとも一つをさらに含む。特定の実施形態では、少なくとも一つの有機極性溶媒はプロピレングリコールメチルエーテルアセテートである。本開示のさまざまな実施形態において、共晶金属合金ナノ粒子は、約１００ナノメートル〜約２５０ナノメートルなどの、約５０ナノメートル〜約４００ナノメートルの範囲の平均粒径を有する。特定の実施形態によれば、少なくとも一つの有機アミン安定剤は、ブチルアミン、オクチルアミン、３−メトキシプロピルアミン、ペンタエチレンヘキサミン、２，２−（エチレンジオキシ）ジエチルアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、及びジエチレントリアミンから選択される。
【００１０】
さらに別の実施形態では、導電性インク用組成物の製造方法が開示されている。この方法は、少なくとも一つの有機極性溶媒と、少なくとも一つの有機アミン安と定剤、及び共晶金属合金とを混合して混合物を作ることと、混合物を超音波処理して、約０．５ナノメートル〜約１０００ナノメートル未満、約５０ナノメートル〜約８００ナノメートル、又は約１００ナノメートル〜約５００ナノメートルなどの約０．５ナノメートル〜約５０００ナノメートル未満の範囲の平均粒径を有する複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む分散液を作ることと、を含む。特定の実施形態によれば、共晶金属合金ナノ粒子はフィールド金属合金を含む。
【００１１】
本明細書に開示される方法の特定の実施形態では、少なくとも一つの有機極性溶媒は、約５０℃〜約７５℃の温度範囲に加熱され、そして特定の実施形態では、混合物は約１分間〜約１時間の期間に１００％のパワーで超音波処理される。特定の実施形態では、組成物は、分散液を遠心分離することと、少なくとも一つの有機極性溶媒をデカントすること、によって収集される。
【００１２】
また、本明細書に開示されるハイブリッド導電性インク組成物は、複数の金属ナノ粒子を含む成分と、複数の共晶金属合金ナノ粒子及び少なくとも一つの有機アミン安定剤を含む成分とを含み、ここで、共晶金属合金ナノ粒子は、約５０ナノメートル〜約４００ナノメートルなどの約０．５ナノメートル〜約１０００ナノメートル未満の範囲の平均粒径を有する。
【００１３】
本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクの特定の実施形態によれば、複数の金属ナノ粒子は銀ナノ粒子であり、特定の実施形態では、銀ナノ粒子は約０．５ナノメートル〜約１００ナノメートルの範囲の平均粒径を有する。本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクの特定の実施形態では、共晶金属合金ナノ粒子はフィールド金属合金であり、特定の実施形態では、共晶金属合金ナノ粒子と金属ナノ粒子の重量比は約１：２０〜約１：５の範囲である。本明細書に開示されるさまざまな実施形態において、ハイブリッド導電性インクは、約２センチポアズ（ｃｐｓ）〜約２００センチポアズの範囲の粘度を有する。
【００１４】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものにすぎず、特許請求の範囲に記載の本教示を限定するものではないことを理解されたい。
【００１５】
ここで、本開示の実施形態について詳細に言及する。以下の説明は単なる例示である。
【００１６】
本明細書に開示されるのは、共晶金属合金ナノ粒子を含む組成物である。本明細書で使用されるとき、語「共晶」は、構成成分が同時に溶融するような割合で構成成分が存在し、融点がどちらの成分よりも低くなるような割合で存在する混合物又は合金を指す。本明細書で使用されるとき、語「融点」は、大気圧で固体が液体になる温度を指す。本明細書で使用される合金」という語は、二つ以上の金属、及び任意選択で追加の非金属を含有し、合金の元素は溶融時に互いに融合又は溶解する混合物を指す。したがって、共晶金属合金は単一の温度で凝固し、ある温度、すなわち共晶点で完全に溶融する。
【００１７】
特定の実施形態では、本明細書に開示される共晶金属合金ナノ粒子組成物は、銀ナノ粒子などの金属ナノ粒子、又は金属ナノ粒子を含む組成物に添加されて、複数の銀ナノ粒子及び複数の共晶金属合金を含むハイブリッド導電性インクを形成し得る。これらのインクは、たとえそれらが最大２０％少ない銀などのより少ない銀で配合されたとしても、従来のナノ銀インクに匹敵する導電性を保持することができ、したがって低コストで製造することができる。本明細書に開示されるハイブリッド導電性インク組成物は、エアロゾルジェット印刷を含む吐出用途での使用にも適しており、低い焼結温度で自己修復導電性素子を形成するために使用してもよい。したがって、本明細書に開示されるハイブリッド導電性インク組成物は、低融点プラスチックを含むさまざまな基材と共に使用するのに適している。これらのハイブリッド導電性インクは、従来のナノ銀インクと異なり、低温で堅牢な相互接続を形成するためのはんだとしても有用であり得る。
【００１８】
本明細書に開示されるナノメートルサイズの共晶金属合金ナノ粒子は、それらの配位子官能化と共に、共晶金属合金ナノ粒子を吐出可能なインク配合物中によく分散させることを可能にし得る。特定の実施形態では、共晶金属合金ナノ粒子を含むハイブリッド導電性インク組成物は、約１０００Ｓ／ｃｍを超える電導度測定値、高い接着強度、約１２０℃未満の硬化温度、及び約２時間未満の硬化時間を有し得る。
【００１９】
本明細書に開示される共晶金属合金ナノ粒子は、共晶合金フィールド金属（ビスマス、インジウム、及びスズ）を含み得る。特定の実施形態では、ハイブリッド導電性インク中の共晶金属合金ナノ粒子と金属ナノ粒子との重量比は、約１：２０〜約１：５の範囲であり得る。
【００２０】
本明細書ではまた、ａ）基材上に配置された導電性素子上にハイブリッド導電性インクを堆積させ、ここでハイブリッド導電性インクは複数の銀ナノ粒子と複数の共晶金属合金ナノ粒子を含むことと、ｂ）ハイブリッド導電性インク上に電子部品を配置することと、ｃ）基材、導電性素子、ハイブリッド導電性インク及び電子部品を十分に加熱することと、ｉ）それによりハイブリッド導電性インク中の複数の銀ナノ粒子を焼きなますことと、及びｉｉ）複数の共晶金属合金ナノ粒子を溶融して溶融共晶合金を形成し、ここで溶融共晶合金が焼きなまされた複数の銀ナノ粒子間の空間を占めるように流れることと、ｄ）ハイブリッド導電性インクの溶融共晶合金を硬化させて電子部品及び導電性素子に融着させ、それによって相互接続を形成することと、を含む、相互接続を形成する方法が提供される。
【００２１】
共晶金属合金
特定の実施形態では、本明細書に開示されるのは、少なくとも一つの有機アミン安定剤及び複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む組成物である。複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む本明細書に開示される組成物を製造するために、適切な共晶金属合金を少なくとも一つの極性溶媒及び少なくとも一つの有機アミン安定剤に添加してもよい。
【００２２】
本発明の組成物に使用するのに適した共晶金属合金は、導電性インク組成物を付着し及び焼結し得る、基材の融点よりも低い融点を有する共晶金属合金を含む。例えば、特定の実施形態では、適切な共晶合金の融点は、約５５℃〜約７５℃、約６０℃〜約６５℃、又は約６２℃などの約１４０℃以下であってもよい。共晶金属合金は、例えば、ビスマス、鉛、錫、カドミウム、亜鉛、インジウム、ガリウム、及びタリウムから選択される少なくとも二つの金属からなり得る。例えば、共晶金属合金は、ビスマス、スズ、インジウム、及びガリウムのうちの少なくとも二つを含み得、又は特定の実施形態において、本明細書に開示される共晶金属合金は、インジウム、ビスマス、及びスズを含み得る。特定の実施形態では、共晶金属合金は、フィールド金属（融点６２℃）、Ｂｉ５８Ｓｎ４２（融点１３８℃）、Ｉｎ６６．３Ｂｉ３３．７（融点７２℃）、及びＢｉ５７Ｓｎ４３（融点１３９℃）などのＩｎ５１．０Ｂｉ３２．５Ｓｎ１６．５、から選択される。本明細書で使用されるとき、「フィールド金属」は共晶、ビスマス、インジウム、及びスズの低融点合金、すなわちＩｎ５１．０Ｂｉ３２．５Ｓｎ１６．５を指す。本明細書に開示される他の実施形態では、共晶金属合金は、銀ナノ粒子成分について本明細書に記載されるような有機溶媒及び／又は安定剤などの少なくとも一つの有機ビヒクルをさらに含み得る。
【００２３】
有機アミン安定剤
いくつかの実施形態では、複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む成分は、少なくとも一つの有機安定剤をさらに含む。有機安定剤は、共晶金属合金ナノ粒子の表面と物理的又は化学的に関連し得る。このようにすると、ナノ粒子はその上に溶液の外側で安定剤を有する。すなわち、その上に安定剤を有するナノ粒子は、ナノ粒子と安定剤の複合体を形成するのに使用される反応混合物溶液から単離及び回収し得る。そのため、安定化されたナノ粒子は、その後、ハイブリッド導電性インク組成物を形成するための溶媒中に均一に分散され得る。
【００２４】
有機安定剤は、化学結合及び／又は物理的付着によって共晶金属合金ナノ粒子と相互作用し得る。化学結合は、例えば、共有結合、水素結合、配位錯体結合、イオン結合、又は異なる化学結合の組合わせの形態をとり得る。物理的付着は、例えば、ファンデルワールス力又は双極子−双極子相互作用、又は異なる物理的付着の組合わせの形態をとり得る。
【００２５】
「有機安定剤」中の語「有機」は、例えば、炭素の存在を指すが、炭素に加えて、有機安定化剤は窒素、酸素、硫黄、ケイ素、ハロゲンなどの一つ以上の非金属ヘテロ原子を含み得る。
【００２６】
例示的な有機安定剤は、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジプロピルアミン、Ｎ，Ｎ−ジブチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジペンチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジヘキシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジヘプチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジオクチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジノニルアミン、Ｎ，Ｎ−ジデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジウンデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジドデシルアミン、ドデシルアミン、メチルプロピルアミン、エチルプロピルアミン、プロピルブチルアミン、エチルブチルアミン、エチルペンチルアミン、プロピルペンチルアミン、ブチルペンチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、１，２−エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、プロパン−１，３−ジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルプロパン−１，３−ジアミン、ブタン−１，４−ジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルブタン−１，４−ジアミン、ジアミノペンタン、ジアミノヘプタン、ジアミノオクタン、ジアミノノナン、ジアミノデカン、２，２−（エチレンジオキシ）ジエチルアミン、３−メトキシプロピルアミン、ペンタエットキシレンヘキサミン、テトラエチレンペンタミンなどの有機アミン、又はそれらの混合物を含むことができる。例示的な有機アミン安定剤は、ブチルアミン、オクチルアミン、２，２−（エチレンジオキシ）ジエチルアミン、３−メトキシプロピルアミン、ペンタエチレンヘキサミン、及びテトラエチレンペンタミンを含む。
【００２７】
共晶金属合金ナノ粒子の表面上の少なくとも一つの有機アミン安定剤の被覆程度は、ナノ粒子を安定化させる有機アミン安定剤の能力に応じて、例えば部分被覆から全被覆まで変化してもよい。
【００２８】
有機極性溶媒
特定の実施形態において、複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む組成物は、少なくとも一つの有機極性溶媒をさらに含む。本明細書に開示されるさまざまな実施形態によれば、溶媒は水ではなく、特定の実施形態では、複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む組成物は水を含まない。本明細書で使用されるとき、「水を含まない」は、組成物が検出可能な量の水を含まないこと、又は組成物が無水であることを示す。
【００２９】
例示的な適切な有機極性溶媒は、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、トルエン、ジ（プロピレングリコール）メチルエーテルアセテート、（プロピレングリコール）メチルエーテル、ジ（プロピレングリコール）メチルエーテル、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン、酢酸ブチル、メトキシプロピルアセテート、プロポキシル化ネオペンチルグリコールジアクリレート、１−フェノキシ−２−プロパノール、及びそれらの組合わせを含み得る。特定の実施形態では、少なくとも一つの極性溶媒はプロピレングリコールメチルエーテルアセテートである。
【００３０】
共晶金属合金ナノ粒子
本明細書に開示される共晶金属合金ナノ粒子組成物は、任意の適切な方法によって製造され得る。１つの例示的な方法は、合金が溶融し混合物が形成されるまで、本明細書に開示される共晶金属合金の断片、例えばセンチメートルサイズの塊を少なくとも一つの溶媒及び少なくとも一つの有機アミン安定剤を含む加熱混合物に加えることである。次いで混合物を超音波処理によって分散させ、冷却してもよい。次いで、共晶金属合金ナノ粒子は、デカンテーションによって単離され、すすがれ、及び乾燥されてもよい。
【００３１】
少なくとも一つの有機アミン安定剤を少なくとも一つの溶媒に混合する前、その間、又はその後に、溶媒を、例えば共晶金属合金ナノ粒子の融点を超える温度に加熱してもよい。特定の実施形態において、溶媒は、約６０℃、約６５℃、約７０℃、約７５℃、又は約８０℃などの、約５５℃より高い温度に加熱してもよい。
【００３２】
超音波処理はプローブ超音波処理により又はバス超音波処理により行ってもよい。プローブ超音波処理は、プローブが混合物を含む容器に挿入される超音波処理を指す。バス超音波処理は、バスが混合物を含む容器に挿入され、続いてバスが超音波処理される超音波処理を指す。プローブ超音波処理は、バス超音波処理と比較してより大きなエネルギー／電力を供給してもよい。
【００３３】
特定の実施形態では、混合物は、任意の適切なパワー、例えば約５０％〜約９０％、約６０％〜約８０％などの約２０％〜約１００％の範囲、又は特定の実施形態では、約１００％のパワーで超音波処理され得る。混合物は、約１分〜約１時間などの任意の適切な時間、又は特定の実施形態では、約２分〜約４５分、約５分〜約２０分、又は約８分〜約１５分、超音波処理され得る。Ｂｒａｎｓｏｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｐｒｏｂｅ  Ｓｏｎｉｆｉｅｒ（登録商標）などの任意の所望の又は有効な音波処理装置を使用することができる。超音波処理の間、分散液を冷却するために分散液を凍結してもよい。特定の実施形態では、分散液の温度を、約１００℃未満、約８５℃未満、又は約７５℃未満などの特定の温度未満に維持するために、分散液を超音波処理しながら氷浴に入れてもよい。超音波処理後、例えばほぼ室温に冷却して、分散液を冷却してもよい。次いで、分散したナノ粒子は、遠心分離及び溶媒のデカンテーションなどによって収集されてもよく、これを必要に応じて繰り返してもよい。最後に、ナノ粒子を乾燥させてもよい。
【００３４】
共晶金属合金ナノ粒子の平均直径は、約１０００ナノメートル（ｎｍ）以下であってもよい。特定の実施形態では、共晶金属合金ナノ粒子の平均粒径は、約１ｎｍ〜約７５０ｎｍ、約１０ｎｍ〜約５００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約４００ｎｍ、約７５ｎｍ〜約２５０ｎｍ、約１００ｎｍ〜約２００ｎｍ、又は約１００ｎｍ〜約１５０ｎｍなどの、約０．５ｎｍ〜約１０００ｎｍ、又は約０．５ｎｍ〜約１０００ｎｍ未満の範囲であってもよい。特定の実施形態では、共晶金属合金ナノ粒子のメジアン径（Ｄ５０）は、約１ｎｍ〜約７５０ｎｍ、約１０ｎｍ〜約５００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約４００ｎｍ、約７５ｎｍ〜約２５０ｎｍ、約１００ｎｍ〜約２２５ｎｍ、又は約１５０ｎｍ〜約２００ｎｍなどの、約０．５ｎｍ〜約１０００ｎｍ、又は約０．５ｎｍ〜約１０００ｎｍ未満の範囲であってもよい。粒子の平均粒径及び直径は、光学顕微鏡法、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、又は例えばＮａｎｏｔｒａｃ（登録商標）粒径分析器などの、任意の適切な手段によって決定されてもよい。
【００３５】
ハイブリッド導電性インク組成物
本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクは、複数の共晶金属合金ナノ粒子を含む成分と、銀ナノ粒子などの複数の金属ナノ粒子を含む成分と、を含み得る。複数の金属ナノ粒子を含む成分は、銀ナノ粒子と、任意選択で溶媒、安定剤、及び他の添加剤のうちの少なくとも一つとを含む。
【００３６】
本明細書に開示される銀ナノ粒子などの金属ナノ粒子は、球形などの、任意の形状又は幾何学形状を有してもよい。特定の実施形態では、銀ナノ粒子は、約１ｎｍ〜約５０ｎｍ、又は約１ｎｍ〜約２０ｎｍなどの、約０．５ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲の体積平均粒径を有する。体積平均粒径は、光散乱粒子サイズ測定器、透過型電子顕微鏡、又はＢｅｃｋｍａｎ  Ｃｏｕｌｔｅｒ  Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ  ３（Ｂｅｃｋｍａｎ  Ｃｏｕｌｔｅｒ  Ｉｎｃ．、Ｌｉｆｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ、インディアナ州インディアナポリス）などの任意の適切な手段によって測定されてもよい。特定の実施形態では、本発明の銀ナノ粒子の体積平均粒径は、Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｎａｎｏ  ＺＳ  Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ  Ｍｏｄｅｌ  ３６００（Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｌｔｄ．、Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ、ＵＫ）を使用して動的光散乱によって測定されてもよい。
【００３７】
本明細書で使用するとき、粒径分布の幅は、最大のナノ粒子の直径と最小のナノ粒子の直径との間の差、又は最小のナノ粒子と最大のナノ粒子との間の範囲を指す。特定の実施形態では、銀ナノ粒子の粒度分布幅は、約１０ｎｍ〜約３０ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜約２５ｎｍなどの、約３０ｎｍ以下である。
【００３８】
本明細書に開示される銀ナノ粒子は、特定の実施形態では、銀フレークと区別可能な特性を有し得る。例えば、本明細書に開示される銀ナノ粒子は、表面原子の高い反応性及び高い導電性を特徴とし得る。さらに、この銀ナノ粒子は、銀フレークより低い融点及び低い焼結温度を有し得る。語「焼結」は、金属粉末粒子の隣接する表面が加熱によって結合される、すなわち「焼きなまされる」プロセスを指す。これは、伝導モードは粒子−粒子接触と重なりを介したオーム接触によるミクロンサイズの金属フレークとは対照的である。これらのフレークベースのインクは、互いに溶融する焼結ナノ粒子導電性インクよりも数桁低い導電率を有することがある。
【００３９】
それらの小さなサイズのため、銀ナノ粒子は、銀フレークよりも７００℃低い融点を示し得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクの銀ナノ粒子はバルク銀の温度より８００℃より低い温度で焼結し得る（ｍｐ＝９６１．８℃）。特定の実施形態では、本開示の銀ナノ粒子は、約１４５℃以下、又は約１４０℃以下、例えば１３０℃又は約１２０℃などの、約８０℃〜約２５０℃の範囲の温度で焼結する。
【００４０】
理論に束縛されることを望まないが、本明細書に開示される銀ナノ粒子のより低い融点は、結合を隣接粒子間で容易に形成する、それらの比較的高い表面積対体積比の結果である。金属ナノ粒子の焼結温度の大きな低下は、ポリカーボネート基材などのそのような基材が比較的低温（例えば、約１５０℃）で溶融又は軟化することがあるので、柔軟なプラスチック基材上に高導電性回路トレース又はパターンを形成することを可能にする。
【００４１】
本明細書に開示される銀ナノ粒子は、元素銀、銀合金、銀化合物又はそれらの組合わせを含み得る。特定の実施形態では、銀ナノ粒子は、純銀、銀合金、又は銀化合物でコーティング又はめっきされた基材であってもよい。例えば、基材は、銀コーティングを有する銅ナノ粒子であってもよい。
【００４２】
本開示の銀合金は、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｃｄ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ａｓ、Ｈｇ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｈ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａから選択される少なくとも一つの金属によって形成されてもよい。例示的な金属複合材料は、Ａｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ、及びＡｕ−Ａｇ−Ｐｄである。特定の実施形態では、金属複合材料は、Ｓｉ、Ｃ、及びＧｅなどの少なくとも一つの非金属をさらに含み得る。適切な銀化合物は、例えば、酸化銀、チオシアン酸銀、シアン化銀、シアン酸銀、炭酸銀、硝酸銀、亜硝酸銀、硫酸銀、リン酸銀、過塩素酸銀、テトラフルオロホウ酸銀、アセチルアセトネート銀、酢酸銀、乳酸銀、シュウ酸銀、及びそれらの誘導体を含み得る。特定の実施形態では、銀ナノ粒子は元素銀を含む。
【００４３】
銀ナノ粒子に加えて、本明細書に開示されるハイブリッド導電性インク組成物の銀ナノ粒子成分は、少なくとも一つの有機ビヒクルをさらに含み得る。特定の実施形態では、少なくとも一つの有機ビヒクルの構成成分は、ハイブリッド導電性インクについての本開示に従って、特定の堆積、処理、接着性及び／又は他の特性を満たすために当業者によって選択されてもよい。例えば、本ハイブリッド導電性インク組成物がハンダペースト代替物として使用される用途では、有機ビヒクルは処理中に揮発するように配合されてもよい。本発明のハイブリッド導電性インク組成物が非金属表面上の接着性コーティングに使用される用途では、有機ビヒクルは接着性のために選択されてもよい。
【００４４】
いくつかの実施形態では、有機ビヒクルは銀ナノ粒子を分散させるための溶媒を含む。溶媒は、非極性有機溶媒でなどであってもよい。適切な非極性有機溶媒には、例えば、アルカンなどの炭化水素と；アルカンと；例えばウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ヘキサデカン、１−ウンデカノール、２−ウンデカノール、３−ウンデカノール、４−ウンデカノール、５−ウンデカノール、６−ウンデカノール、１−ドデカノール、２−ドデカノール、３−ドデカノール、４−ドデカノール、５−ドデカノール、６−ドデカノール、１−トリデカノール、２−テトラデカノール、３−テトラデカノール、４−テトラデカノール、５−テトラデカノール、６−テトラデカノール、７−テトラデカノールなどの約１０〜約１８個の炭素を有するアルコールと；例えば、テルピネオール（α−テルピネオール）、β−テルピネオール、ゲラニオール、シネオール、セドラル、リナロール、４−テルピネオール、ラバンジュロール、シトロネロール、ネロール、メトール、ボルネオール、ヘキサノール、ヘプタノール、シクロヘキサノール、３，７−ジメチルオクタ−２，６−ジエン−１−オール、及び２−（２−プロピル）−５−メチル−シクロヘキサン−１−オールなどのアルコールと；イソデカン、イソドデカンなどのイソパラフィン系炭化水素、及びＥｘｘｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｉｎｃ．（テキサス州スプリング）製のアイソパー（登録商標）Ｅ、アイソパー（登録商標）Ｃ、アイソパー（登録商標）Ｌ、アイソパー（登録商標）Ｖ、及びアイソパー（登録商標）Ｍなどのイソパラフィンの市販の混合物と；Ｓｈｅｌｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ（ハーグ、オランダ）製のシェルソル（登録商標）と；Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｏｉｌ  Ｃｏ．，  Ｌｔｄ．（テキサス州ウッドランズ）製のソルトロール（登録商標）と；Ｍｏｂｉｌ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｃｏ．，  Ｉｎｃ．（テキサス州スプリング）製のベガソル（登録商標）と；Ｉｄｅｍｉｔｓｕ  Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．，  Ｌｔｄ．（東京、日本）製のＩＰ溶媒２８３５と；ナフテン油と；ベンゼン、ニトロベンゼン、トルエン、オルト−、メタ−、パラ−キシレン、及びそれらの混合物などの芳香族溶剤と；１，３，５−トリメチルベンゼン（メシチレン）と；１，２−、１，３−、及び１，４−ジクロロベンゼン、及びそれらの混合物と；トリクロロベンゼンと；シアノベンゼンと；エチルシクロヘキサン、フェニルシクロヘキサン、テトラリンと；ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン、デカン、ドデカンなどの脂肪族溶剤と；ビシクロヘキシル、デカリン等の環状脂肪族系溶剤とを含む。特定の実施形態では、２種以上の非極性有機溶媒を分散剤として使用してもよく、特定の実施形態では、銀ナノ粒子成分に含まれる非極性有機溶媒はエチルシクロヘキサン及びフェニルシクロヘキサンである。
【００４５】
少なくとも１つの非極性有機溶媒は、銀ナノ粒子組成物中に、銀ナノ粒子インク成分の総重量に基づき、約５重量％〜約５０重量％、例えば約１０重量％〜約４０重量％、約１０重量％〜約４０重量％、約３６重量％、又は約１０重量％〜約２６重量％などの範囲の量で存在してもよい。結果として、銀ナノ粒子インク組成物中の銀ナノ粒子の重量百分率は、約９５重量％〜約５０重量％、約９０重量％〜約６４重量％、約９０重量％〜約７４重量％などの範囲であってもよい。
【００４６】
いくつかの実施形態では、少なくとも一つの有機ビヒクルは少なくとも一つの安定剤を含む。特定の実施形態では、少なくとも一つの安定剤は、化学結合及び／又は物理的付着によって銀ナノ粒子と相互作用してもよい。化学結合は、共有結合、水素結合、配位錯体結合、イオン結合、又は異なる化学結合などの混合物の形態をとり得る。物理的付着は、ファンデルワールス力又は双極子‐双極子相互作用、又は異なる物理的付着などの混合物の形態をとり得る。さらに、少なくとも１つの安定剤は熱的に除去してもよく、これは、少なくとも一つの安定剤が、加熱又は焼きなましなどの特定の条件下で銀含有ナノ粒子表面から解離し得ることを意味する。
【００４７】
適切な安定剤は、共晶金属合金ナノ粒子に関して定義された少なくとも一つの有機安定剤を含む。特定の実施形態では、銀ナノ粒子は、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、又はヘキサデシルアミンのうちの少なくとも一つで安定化される。
【００４８】
銀ナノ粒子成分中の少なくとも一つの有機安定剤（銀ナノ粒子及び少なくとも一つの安定剤のみを含み、少なくとも１つの溶媒を除く）の重量％は、約３重量％〜約６０重量％の、約５重量％〜約３５重量％、約５重量％〜約２０重量％、又は約５重量％〜約１０重量％などの範囲であってもよい。結果として、銀ナノ粒子中の銀の重量％（少なくとも一つの溶媒を除く）は、約４０重量％〜約９７重量％、約６５重量％〜約９５重量％、約８０重量％〜約９５重量％、又は約９０重量％〜約９５重量％などの範囲であってもよい。
【００４９】
銀ナノ粒子成分は、基材への接着を改善するために少なくとも一つの樹脂をさらに含み得る。例えば、銀ナノ粒子成分は、ポリスチレン、テルペン、例えばスチレン−イソプレン−スチレン共重合体、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体、スチレン−エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体などのスチレンブロック共重合体、エチレン−酢酸ビニル無水マレイン酸ターポリマー、エチレンブチルアクリレートコポリマー、エチレン−アクリル酸コポリマー、ポリオレフィン、ポリブテン、ポリアミドなど、及びそれらの混合物から選択される少なくとも一つの樹脂を含み得る。特定の実施形態では、少なくとも一つの樹脂は、銀ナノ粒子成分の総重量の約０．０５重量％〜約５重量％の範囲の量で存在する。特定の実施形態では、少なくとも一つの樹脂は、銀ナノ粒子成分の総重量の約０．１〜約３重量％の範囲の量で存在する。別の実施形態では、樹脂は銀ナノ粒子成分から省かれる。
【００５０】
銀ナノ粒子成分は、湿潤剤、界面活性剤、及び殺菌剤／殺菌剤などの少なくとも一つの他の添加剤をさらに含み得る。添加剤は、銀ナノ粒子成分の組成において小さいパーセンテージであってもよく、そして当業者には明らかなように、インク特性を調整するために又は特定の特性を追加するために使用され得る。例えば、銀成分の表面張力を低下させるために、少なくとも一つの界面活性剤を銀ナノ粒子成分に含ませてもよい。銀ナノ粒子成分の粘度は、例えば、ポリビニルアルコールなどの少なくとも一つのポリマー増粘剤を含ませることによって所望の値に調整してもよい。グリコールなどの湿潤剤も、例えば蒸発を制御するために銀ナノ粒子成分に添加してもよい。
【００５１】
本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクの銀ナノ粒子成分は、任意の適切な方法によって製造され得る。１つの例示的な方法は、銀ナノ粒子を少なくとも一つの非極性有機溶媒及び場合により少なくとも一つの安定剤中に不活性バブリング下で分散させることである。次いで、銀ナノ粒子インク成分を振とうしてナノ粒子を湿らせ、次いでロール状にして確実に混合してもよい。次いで、銀ナノ粒子インクをガラス繊維を通して濾過し、続いて窒素又はアルゴンでパージしてもよい。
【００５２】
本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクは、銀ナノ粒子成分を共晶金属合金ナノ粒子成分と混合することによって製造され得る。特定の実施形態では、ハイブリッド導電性インク中の銀ナノ粒子成分に対する共晶金属合金ナノ粒子成分の重量比は、約１：５（ｗ／ｗ）、約１：１０（ｗ／ｗ）、約１：１５（ｗ／ｗ）、約１：１（ｗ／ｗ）、約５：１（ｗ／ｗ）、約１０：１（ｗ／ｗ）、又は約１５：１（ｗ／ｗ）などの、約１：２０（ｗ／ｗ）〜約２０：１（ｗ／ｗ）の範囲であってもよい。
【００５３】
本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクは、任意の所望の粘度を有してもよい。特定の実施形態では、粘度は、例えば約３ｃｐ〜約１００ｃｐ、約４ｃｐ〜約５０ｃｐ、又は約５ｃｐ〜約２０ｃｐなどの、約２ｃｐ〜約５００ｃｐの範囲である。本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクは、任意の実現可能な硬化速度を有してもよい。特定の実施形態では、ハイブリッド導電性インクは、約１０分〜約１２時間、又は約１時間〜３時間、例えば約２時間未満などの、約２４時間未満で硬化してもよい。
【００５４】
導電性素子を形成する方法
本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクは、導電性トレース、導電性ボンディングパッド、電極、相互接続などの導電性素子を製造するために使用され得る。
【００５５】
特定の実施形態では、ハイブリッド導電性インクを基材上に堆積させ、ハイブリッド導電性インクを加熱して焼きなまされた銀ナノ粒子及び溶融共晶金属合金を形成することによって、導電性素子をハイブリッド導電性インクから形成してもよく、ここで、溶融共晶金属合金は焼きなまされた銀ナノ粒子間の空間を占める。特定の実施形態では、堆積したハイブリッド導電性インクは加熱前に乾燥させる。
【００５６】
特定の実施形態では、焼結前に、本明細書に記載のように、ハイブリッド導電性インクをプラスチック基材などの基材上に堆積させてもよい。次いで、約１３０℃などの、混合物を銀ナノ粒子を焼結するのに十分な温度加熱してもよい。堆積された導電性インクは、電気絶縁性があってもよく、又は非常に低い導電性を有してもよい。しかし、焼結プロセス中に、ハイブリッド導電性インク中の銀ナノ粒子が焼きなまされて導電性素子を形成する可能性がある。共晶金属合金ナノ粒子はまた、焼きなまされた銀ナノ粒子間で溶融及び流動して焼きなまされた銀への導電性「溶接」を形成することによってプロセスに関与する可能性がある。
【００５７】
本明細書で使用されるとき、「銀ナノ粒子を焼きなます十分な温度」は、隣接する表面に銀ナノ粒子が付着するのに十分な温度である。銀ナノ粒子を焼きなますのに十分な温度は、約１４５℃以下、約１４０℃以下、約１３０℃又は約１２０℃などの、約８０℃〜約２５０℃の範囲であってもよい。
【００５８】
本明細書に開示されるハイブリッド導電性インク組成物は、例えば溶液堆積によって、基材又は接続パッドなどの他の表面上に堆積されてもよい。本明細書で使用されるとき、溶液堆積は、液体が基材上に堆積されてコーティング又はパターンを形成するプロセスを指す。溶液堆積は、スピンコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、スロットダイコーティング、フレキソ印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷、及びエアロゾルジェット印刷などのうちの一つ又は複数を含む。
【００５９】
特定の実施形態において、ハイブリッド導電性インクは、インクジェット印刷によって基材上に堆積される。別の例示的な実施形態では、エアロゾルジェット印刷が堆積に使用される。本明細書で使用されるとき、「エアロゾルジェット印刷」は、ハイブリッド導電性インクの噴霧化と、直径１〜２ミクロンのオーダーの液滴を生成することを含むプロセスを指す。霧化された液滴はガス流に同伴されてプリントヘッドに供給されてもよい。プリントヘッドでは、エアロゾル流の周りに環状のガス流を導入して、液滴を厳密にコリメートされたビームに集束させてもよい。組み合わせたガス流は次に、エアロゾル流を約１ミクロン〜約１０ミクロンの範囲の直径などの小さな直径に圧縮する収束ノズルを通ってプリントヘッドを出てもよい。プリントヘッドを出た吐出は、基材又は他の表面に付着する。得られたパターンは、幅範囲が約５ミクロン〜約３０００ミクロン、層の厚さ範囲が約１ミクロン〜約２０ミクロンなどの数十ナノメートル〜約２５ミクロンであるという特徴を有することができる。
【００６０】
本明細書に記載される基材は、シリコン、ガラス板、プラスチックフィルム、布地、又は合成紙を含むがこれらに限定されない任意の適切な基材であり得る。構造的に柔軟な装置の場合、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などのプラスチック基材を使用してもよい。基材の厚さは、例えばフレキシブルプラスチック基材の場合の典型的な厚さは約５０マイクロメートル〜約２ミリメートルである、硬質基材例えばガラス又はシリコンの場合は約０．４ミリメートル〜約１０ミリメートルであるなどの、約１０マイクロメートル〜１０ミリメートル超などの任意の適切な厚さとすることができる。特定の実施形態では、フレキシブルプラスチック基材は、ＰＥＴ、ＰＥＮ、及びポリカーボネートから選択される。
【００６１】
焼結のための加熱は、約１時間などの約０．０１時間〜約１０時間の任意の適切又は所望の時間とすることができる。加熱は、空気中、窒素又はアルゴン下などの不活性雰囲気中、又は約１〜約２０体積％の水素を含有する窒素下などの還元雰囲気中で実施することができる。加熱はまた、通常の大気圧下、又は約１０００ミリバール〜約０．０１ミリバールなどの減圧下で実施することができる。
【００６２】
加熱は、銀ナノ粒子を焼きなますのに十分なエネルギーを加熱された材料又は基材に付与することができ、及び共晶金属合金ナノ粒子の溶融並びに流動をもたらす任意の技術を含む。これらの技術は、（ホットプレート、オーブン、又はバーナーなどを用いた）サーマルヒーティング、赤外線放射、レーザービーム、フラッシュライト、マイクロ波放射、紫外線放射、フォトニック焼結及びそれらの組み合わせを含む。特定の実施形態では、オーブンが加熱に使用される。
【００６３】
いくつかの実施形態では、例えば室温まで加熱及び冷却した後、約０．１５〜約１０又は約０．１〜約２マイクロメートルなどの、約０．１〜約２０マイクロメートルもの範囲の厚さを有する導電性素子が基材上に形成される。
【００６４】
いくつかの実施形態では、形成される導電要素は相互接続部である。本明細書で使用されるとき、「相互接続」は、導電性素子（例えばワイヤー又は銅箔トレース又は導電性トレース、例えば本明細書に開示される従来のナノ銀インク及び／又はハイブリッド導電性インクなどから形成される回路トレース）と容量、抵抗及び／又はダイオード、トランジスト、及び集積回路などの半導体デバイスなどの電子部品との間の表面を指す。特定の実施形態では、相互接続を形成する方法は、本明細書に記載のエアロゾルジェット印刷又は他の方法などによって、本明細書に開示されるハイブリッド導電性インクを基材上に配置された導電性素子上に堆積させることを含む。
【００６５】
本開示の堆積されたハイブリッド導電性インクを加熱することによって生成される導電性トレース又は相互接続などの導電性素子の導電率は、約５０，０００Ｓ／ｃｍ以上、約８０，０００Ｓ／ｃｍ以上、約１００，０００Ｓ／ｃｍ以上、約１２５，０００Ｓ／ｃｍ以上、約１５０，０００Ｓ／ｃｍ以上、又は約２００，０００Ｓ／ｃｍ以上などの、約１０，０００ジーメンス／センチメートル（Ｓ／ｃｍ）以上であり得る。特定の実施形態では、導電率は、約８０，０００Ｓ／ｃｍ〜約１５０，０００Ｓ／ｃｍ、又は約１００，０００Ｓ／ｃｍ〜約１２５，０００Ｓ／ｃｍなどの、約５０，０００Ｓ／ｃｍ〜約２００，０００Ｓ／ｃｍの範囲である。
【００６６】
本開示の堆積されたハイブリッド導電性インクを加熱することによって生成される導電性トレース又は相互接続などの導電性素子の抵抗率は、約１．０×１０−４オームセンチメートル（オーム−ｃｍ）未満、約２．０×１０−５オーム−ｃｍ未満、約１．２５×１０−５オーム−ｃｍ未満、約１．０×１０−５オーム−ｃｍ未満、約８．０×１０−６オーム−ｃｍ未満、約６．６×１０−６オーム−ｃｍ、又は約５．０×１０−６オーム−ｃｍ未満であり得る。特定の実施形態では、抵抗率は、約２．０×１０−５オーム−ｃｍ〜約５．０×１０−６オーム−ｃｍ、又は、約１．２５×１０−５オーム−ｃｍ〜約６．６×１０−６オーム−ｃｍ、約１．０×１０−５オーム−ｃｍ〜約８．０×１０−６オーム−ｃｍの範囲である。
【００６７】
本開示の広い範囲を記載する数値範囲及びパラメータは近似値であるにも関わらず、特定の実施例に記載される数値は可能な限り正確に報告される。しかし、いずれの数値も、それらのそれぞれの試験測定値に見られる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。さらに、本明細書に開示される範囲はすべて、その中に抱合されるありとあらゆる小領域を包含するものと理解されるべきである。
【００６８】
本教示は一つ以上の実施形態に関して例示されているが、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、示された例に対して変更及び／又は修正を加えることができる。さらに、本教示の特定の特徴は、いくかの実装形態のうちの一つのみに関して開示されていることがあるが、そのような特徴は、任意の所与又は特定の機能にとって望ましいもの及び有利であり得る他の実装形態の一つ以上の他の特徴と組み合わせてもよい。さらに、語「含む」、「含む」、「有する」、「有する」、「有する」、又はそれらの変形が、詳細な説明及び特許請求の範囲のいずれかにおいて使用される限りにおいて、そのような語は包括的であると意図される。さらに、本明細書の説明及び特許請求の範囲において、語「約」は、変更が図示の実施形態に対するプロセス又は構造の不適合をもたらさない限りにおいて、列挙された値がいくらか変更されてもよいことを示す。最後に、「例示的（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」は、それが理想であることを意味するのではなく、説明が例として使用されることを示す。
【００６９】
上記及び他の特徴及び機能の変形、又はその代替物は、他の多くの異なるシステム又は用途に組み合わされ得ることが理解されよう。当業者であれば、現在予見し得ない、又は予期し得ないさまざまな代替物、改造、変形、又は改良を今後実施し得るが、それらも以下の請求項に包含されるものとする。
【００７０】
実施例１（異なる有機アミン安定剤を用いたフィールド金属ナノ粒子の製造）
Ａ．ブチルアミン
３００ｍＬのプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）溶媒を、大きな磁気バーを備えた５００ｍＬビーカーに添加した。ビーカーをホットプレート上の水浴に入れた。液体を撹拌しながらＰＧＭＥＡを６５℃に加熱した。次に、６０ｇ（約８３ｍＬ）のブチルアミンをＰＧＭＥＡに添加した。その後、２０．８ｇのフィールド金属（Ｂｉ３２．５％、Ｉｎ５１％、Ｓｎ１６．５％、融点６２℃）を、フィールド金属が完全に溶解するまで、すなわち、少なくとも２分間混合した混合物に添加した。次に、Ｂｒａｎｓｏｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｏｎｉｆｉｅｒ（登録商標）を使用して１００％パワーのプローブ（適合）で８〜１５分間超音波処理した。７５℃未満の温度を維持するために超音波処理しながら、氷を水浴に入れた。最高温度は約７２℃に達した。
【００７１】
次いで、水浴中の熱水をデカントし、氷を水浴に入れ、５００ｍＬビーカーを氷上に戻した。混合物を室温に冷却し、一晩撹拌した。混合物が冷却して落ち着いたときに撹拌を停止した。次に混合物の上の透明な溶媒をデカントし、そして灰色の懸濁液を収集した。残留アミンを洗浄するために、約５００ｍＬのＰＧＭＥＡを添加してフィールド金属ナノ粒子を再分散させた。懸濁液をＢａｘｔｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｒｙｏｆｕｇｅ  ６０００を使用して３０００ｒｐｍの速度で１５分間遠心分離した。上部の透明溶媒をデカントし、洗浄工程をもう一回繰り返した。透明なＰＧＭＥＡをデカントしてから、粒子を一晩風乾させた。粒子の最終収率は９５％以上であった。
【００７２】
Ｎａｎｏｔｒａｃ（登録商標）Ｕ２２７５Ｅを使用して粒径分布を分析し、結果を以下の表１Ａ及び１Ｂに示す。配位子としてブチルアミンを使用したときの平均粒径は１４２．６ｎｍ（０．１４２６μｍ）であり、メジアン径（Ｄ５０）は１９２ｎｍであった。
【００７３】
【表１Ａ】
2020020039.tif 000002
【００７４】
【表１Ｂ】
2020020039.tif 000003
【００７５】
Ｂ．オクチルアミン
有機アミン安定剤としてブチルアミンの代わりにオクチルアミンを使用して実験１を二回繰り返した。粒径分布は、両方の実験についてＮａｎｏｔｒａｃ（登録商標）Ｕ２２７５Ｅを使用して分析し、結果を以下の表２Ａ及び２Ｂ並びに表３Ａ及び３Ｂに示す。安定剤としてオクチルアミンを使用したときの平均粒径は、それぞれ２２３．２ｎｍ及び１０７．５ｎｍであり、Ｄ５０はそれぞれ３３９ｎｍ及び１９１ｎｍであった。
【００７６】
【表２Ａ】
2020020039.tif 000004
【００７７】
【表２Ｂ】
2020020039.tif 000005
【００７８】
【表３Ａ】
2020020039.tif 000006
【００７９】
【表３Ｂ】
2020020039.tif 000007
【００８０】
Ｃ．テトラエチレンペンタミン
有機アミン安定剤としてブチルアミンの代わりにテトラエチレンペンタミンを使用して実験１を四回繰り返した。粒径分布は、Ｎａｎｏｔｒａｃ（登録商標）Ｕ２２７５Ｅを使用して分析し、結果を四回の試行実験のうちの一回について下記の表４Ａ及び４Ｂに示す。安定剤としてテトラエチレンペンタミンを使用したときの平均粒径は、四回の試行実験のそれぞれについて、１４１．４ｎｍ、１４８．６ｎｍ、１４６．９ｎｍ、及び１００．９ｎｍであった。四回の試行実験のＤ５０は、それぞれ１７９ｎｍ、１９３ｎｍ、２０１ｎｍ、及び１５８ｎｍであった。
【００８１】
【表４Ａ】
2020020039.tif 000008
【００８２】
【表４Ｂ】
2020020039.tif 000009
【００８３】
Ｄ．メトキシプロピルアミン
有機アミン安定剤としてブチルアミンの代わりにメトキシプロピルアミンを使用して実験１を繰り返した。Ｎａｎｏｔｒａｃ（登録商標）Ｕ２２７５Ｅを使用して粒度分布を分析し、結果を以下の表５Ａ及び５Ｂに示す。安定剤として３−メトキシプロピルアミンを使用したときの平均粒径は９ｎｍであった。Ｄ５０は＜１ｎｍであった。
【００８４】
【表５Ａ】
2020020039.tif 000010
【００８５】
【表５Ｂ】
2020020039.tif 000011
【００８６】
Ｅ．その他の配位子
有機アミン安定剤として２，２−（エチレンジオキシ）ジエチルアミン及びペンタエチレンヘキサミンをそれぞれ使用して実験１を繰り返した。粒径分布は、Ｎａｎｏｔｒａｃ（登録商標）Ｕ２２７５Ｅを使用して分析した。２，２−（エチレンジオキシ）ジエチルアミンの場合、平均粒径は０．９ｎｍであり、Ｄ５０は１ｎｍであった。ペンタエチレンヘキサミンの場合、平均粒径は２．９ｎｍであり、Ｄ５０は２１２ｎｍであった。
【００８７】
比較例１（水中でのフィールド金属粒子の製造）
大きな磁気バーを備えた５００ｍＬのビーカーに３００ｍＬの脱イオン水を加えた。ビーカーをホットプレート上の水浴に入れた。撹拌しながら水を６５℃に加熱した。次に、６０ｇ（約８３ｍＬ）のブチルアミンを水中に加えた。その後、２０．８ｇのフィールド金属（３２．５％のＢｉ、５１％で、１６．５％のＳｎ、融点６２℃）を、フィールド金属が完全に溶解するまで、すなわち、少なくとも２分間混合した混合物に加えた。次に、Ｂｒａｎｓｏｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｏｎｉｆｉｅｒ（登録商標）を使用して１００％パワーのプローブ（適合）で混合物を８〜１５分間超音波処理した。７５℃未満の温度を維持するために超音波処理しながら、氷を水浴に入れた。
【００８８】
次に水浴中の熱湯をデカントして氷を水浴に入れ、次に５００ｍＬビーカーを氷上に戻した。混合物を室温に冷却し、一晩撹拌した。混合物が冷却して落ち着いたときに撹拌を停止した。次いで混合物の上の透明な溶媒をデカントし、及び灰色の懸濁液を収集した。水を添加して、過剰のアミンからフィールド金属粒子を再分散及び洗浄した。次いで混合物を３０００ｒｐｍで１５分間遠心分離した。遠心分離後、上の透明な水をデカントした。この洗浄工程をもう一回繰り返した。最後に、水をデカントした後、フィールドの金属粒子をビーカーに入れて一晩風乾させた。粒子の最終収率は９５％以上であった。
【００８９】
粒径分布は、Ｎａｎｏｔｒａｃ（登録商標）Ｕ２２７５Ｅを使用して分析した。測定は、得られた共晶金属合金粒子の９５％が１．３μｍと５．０μｍの間にあることを示した。共晶金属合金粒子のメジアン径（Ｄ５０）は４．１７μｍであった。
【００９０】
実施例２（フィールド金属ナノ粒子及び有機アミン安定剤を用いた導電性インクの製造）
固形分５０％のインクを以下のように製造した：１６．７ｇのフィールド金属ナノ粒子、５．６ｇのエチルシクロヘキサン、及び１１．１ｇのフェニルシクロヘキサン（総溶媒＝１６．７ｇ）に加えて、１０．５ｇのガラスビーズ（ｄ＝４ｍｍ）をボトルに加えた。ＰＴＦＥキャップでボトルを密封した。配合物をモビルロッドローラー上で３日間回転させた。
【００９１】
実施例３（フィールド金属ナノ粒子有機アミン安定剤及び銀ナノ粒子を用いた導電性インクの製造）
銀ナノ粒子インク１２ｇをボトルに添加し、続いてフィールド金属ナノ粒子１．５８ｇを添加した。アルゴンの空気を約１５から２０秒間ジャーに吹き込み、すぐにボトルを密封した。インク配合物を約６５ｒｐｍで２日間回転させた。オプトメックエアロゾルジェットシステムを使用してインクを印刷し、印刷された線の導電率を測定したところ、約１．６×１０５Ｓ／ｃｍであった。