液態(tài)金屬薄膜導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)3D表面的高度可拉伸電極

可拉伸和柔性電子已經(jīng)在可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)療器械、柔性光學(xué)器件以及軟機(jī)器人等許多新興領(lǐng)域吸引了廣泛關(guān)注。在這些應(yīng)用中，可拉伸導(dǎo)電材料是一個(gè)重要且基本的組成要素，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。關(guān)于可拉伸導(dǎo)體的研究已有廣泛報(bào)道，例如：導(dǎo)電彈性體、金屬納米線以及圖案化的金屬薄膜導(dǎo)體等。

盡管這些可拉伸導(dǎo)電方案在許多應(yīng)用中非常有前景，但在某些情況下，這些方法可能存在影響其應(yīng)用的局限性。例如，低體積電導(dǎo)率、高機(jī)電耦合或彈性差等一種或多種特性的組合，可能會(huì)使導(dǎo)電彈性體和金屬納米線導(dǎo)體的功能性受到限制。同樣，確定性架構(gòu)通常需要先進(jìn)的制造技術(shù)來圖案化薄膜導(dǎo)體的波浪/蛇形跡線。同時(shí)，由于非直線圖案，它們的拉伸性有限且面密度較低。

為了解決上述問題，已有報(bào)道采用液態(tài)金屬（LM）組成的室溫可拉伸導(dǎo)體。液態(tài)金屬具有適合可拉伸導(dǎo)體的特性，例如高導(dǎo)電性、極強(qiáng)的可拉伸性、可圖案化以及源自固有液態(tài)性質(zhì)的共形性。基于液態(tài)金屬的方案解決了可拉伸導(dǎo)體的必要功能。

盡管迄今已經(jīng)投入了大量的研究，但液態(tài)金屬導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)很大程度上仍然受限于襯底或封閉微通道。帶有襯底的電路不可避免地面臨著一個(gè)無法解決的困境，即襯底和電路是分不開的，電路下方的襯底會(huì)不可避免地阻礙圖案化電路的移動(dòng)、附著、修復(fù)和調(diào)整，從而限制了其適用性。

為此，研究人員正在努力開發(fā)薄且柔性的襯底，以盡量減少襯底造成的負(fù)面影響。然而，襯底的存在使得有些問題不可避免，如果不徹底移除襯底，則不可能完全排除這些問題。為了克服襯底引起的限制并擴(kuò)展可拉伸導(dǎo)體的適用性，需要開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)電性能的獨(dú)立導(dǎo)體或無襯底導(dǎo)體。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，韓國(guó)首爾大學(xué)和美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的一支合作研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種獨(dú)立的圖案化液態(tài)金屬薄膜導(dǎo)體（FS-GaIn），能夠在無襯底狀態(tài)下獨(dú)立并直接應(yīng)用于不規(guī)則表面。FS-GaIn通過將金屬納米線引入液態(tài)金屬，然后在無掩模和室溫條件下進(jìn)行順序選擇性激光加工和選擇性蝕刻而制成。激光輔助制造有助于超快圖案化（激光掃描速度為100?mm/s）和快速成型。

當(dāng)整合到電路中時(shí)，F(xiàn)S-GaIn無需封裝即可承受極端應(yīng)變且電阻變化很小，無需后處理就能與剛性部件形成穩(wěn)定的電連接，并且能夠與非平坦3D表面保持共形接觸。由FS-GaIn改進(jìn)的電路也顯示出很高的穩(wěn)定性。

FS-GaIn是一種特殊的金屬基超級(jí)可拉伸薄膜導(dǎo)體，可應(yīng)用于凹凸不平的3D表面或用于原位電路修整，憑借無襯底薄膜液態(tài)金屬導(dǎo)體特性，擴(kuò)展了柔性和可拉伸電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

FS-GaIn制造工藝示意圖，通過連續(xù)可見光激光對(duì)真空過濾的液態(tài)金屬-銀納米線（LM-AgNW）薄膜進(jìn)行直接激光圖案化，以及隨后的選擇性蝕刻而制備。（i）FS-GaIn掃描電鏡顯微圖；（ii、iii）液態(tài)金屬-銀納米線薄膜激光曝光前后的掃描電鏡顯微圖。

左圖：FS-GaIn與人耳模型及剛性部件的共形連接；右圖：樹狀圖案化FS-GaIn。

FS-GaIn制備原理和工藝

總結(jié)來說，研究人員在這項(xiàng)研究中開發(fā)了FS-GaIn，具有高電導(dǎo)率（5.79?×?10? S/m），在1350%應(yīng)變范圍內(nèi)電阻變化較小，在10000次100%應(yīng)變循環(huán)周期內(nèi)保持穩(wěn)定，并且，在拉伸時(shí)能夠保持與剛性部件的穩(wěn)定接觸。FS-GaIn優(yōu)異的機(jī)電性能源于三個(gè)主要原因，即表面共形性、高度曲折的蛇形結(jié)構(gòu)，以及液態(tài)金屬和銀納米線之間的潤(rùn)濕性。

通過應(yīng)用FS-GaIn貼片修復(fù)的電路也展示了穩(wěn)定的連接，并且能夠承受超過1000%的應(yīng)變而不發(fā)生電斷開。FS-GaIn制造方法簡(jiǎn)便，采用直接激光寫入和蝕刻組合，能夠在無掩模和室溫條件下快速制造圖案化的FS-GaIn。通過充分利用多相燒結(jié)區(qū)和非燒結(jié)區(qū)之間的差異化蝕刻，實(shí)現(xiàn)了FS-GaIn的制造。

FS-GaIn的特性還可以進(jìn)行原位電路修改、附著到具有尖銳輪廓的3D表面，以及在受限環(huán)境下安裝電路。FS-GaIn克服了傳統(tǒng)薄膜導(dǎo)體不可避免的局限性，將其應(yīng)用于可穿戴電子器件、柔性光學(xué)器件和軟機(jī)器人有望開辟下一代可拉伸電子設(shè)備。

審核編輯：劉清