鎵基液態(tài)金屬(LM)由于其優(yōu)異的金屬導電性以及室溫流動性特點,被認為在柔性電子領域具有廣泛的應用前景。基于鎵基LM材料,目前已成功開發(fā)出各類柔性電子器件,如可穿戴傳感器、柔性電容器、柔性電感器以及柔性變阻器等。LM柔性器件的集成性和可靠性一直以來是該領域的研究熱點,其中3D柔性電子被普遍認為是提高集成性的有效解決方案之一。然而,液態(tài)金屬的流動性是一把雙。刃劍,雖然它為LM柔性器件提供了優(yōu)異的可變形性,但同時給3D結構柔性電路的制備帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前報道的3D打印、冷凍打印、通道填充等方法在復雜3D結構電路的制備、工藝成本以及功能性芯片的集成等方面仍存在不足。近期,哈爾濱工業(yè)大學(深圳)馬星教授聯(lián)合中科院深圳*技術研究院劉志遠研究員,提出了一種通過將鎵基液態(tài)金屬轉變?yōu)楣虘B(tài)并通過塑性變形制備復雜3D結構柔性導體的方法。作者基于金屬材料的合金化及相關理論,著重考量材料的相變溫度、機械強度和塑性加工性能,篩選出Ga-10In作為3D柔性電子制備的基礎材料。固體Ga-10In的高塑性特點允許通過機械彎曲、纏繞等方式制備復雜3D結構導體,在熔點以下溫度將3D導體與功能芯片連接并使用硅膠封裝后,熔點以上溫度加熱(>22.7 °C)便可使Ga-10In熔化并恢復其流動性。此外由于過冷效應,Ga-10In導體可以在低于熔點的一定的溫度范圍內保持液態(tài),保證了柔性電子器件的服役溫度區(qū)間。為證明該方案的實用性,作者設計了具有超高靈敏度的3D應變傳感器、由3D跳線導體構成的二極管 (LED) 陣列以及由3D螺旋結構的可穿戴傳感器和多層柔性電路板組成的手指動作監(jiān)測裝置。相關工作以“Three-dimensional flexible electronics using solidified liquid metal with regulated plasticity”為題發(fā)表于電子領域期刊《Nature Electronics》,2019級博士生李國強同學為該論文第一作者。在本項研究中,由摩方精密25 μm精度的nanoArch P150設備3D打印的高精度模具,為制備2D應變傳感電路和3D拱形跳線提供了精密支持。
圖1:基于可調塑性的凝固態(tài)液態(tài)金屬的3D柔性電子簡介說明。(a) 液態(tài)的Ga-10In轉變?yōu)楣虘B(tài)的片狀和棒狀示意圖;(b) 塑性變形能力對比;(c) Ga-10In低溫拉伸性能;(d) Ga-10In相變性能測試;(e) 基于該方案制備的3D柔性電子。
圖2:Ga-In合金材料表征及性能測試。(a) 凝固態(tài)Ga-10In顯微組織;(b) Ga-In合金中A6相體積分數于In元素含量的關系;(c) Ga-10In和Ga-15In顯微組織表征;(d) Ga-10In拉伸樣斷口附近顯微組織表征;(e) Ga-In合金力學性能測試;(f) 圖(e)對應的屈服強度和延伸率;(g) Ga-In合金相變測試;(h) Ga-In合金熔點與In元素含量的關系。
圖3:2D應變傳感器的電力性能測試及3D高靈敏度應變傳感器設計。(a) 2D應變傳感器電阻-應變關系;(b) 2D應變傳感器平均GF值與應變的關系;(c) 2D應變傳感器橫向及縱向拉伸性能測試;(d) 3D應變傳感器照片及其性能;(e) 3D應變傳感器擠壓位置的CT微觀表征;(f) 與已報道LM應變傳感器的靈敏度對比。
圖4:Ga-10In 3D拱形導體及其LED柔性陣列應用。(a) 熔化前后拱形Ga-10In導體圖像;(b) LED陣列示意圖;(c) LED陣列電流-電壓性能測試;(d) 控制裝置和LED陣列電路圖;(e) 控制系統(tǒng)和LED柔性陣列照片;(f) LED陣列動態(tài)彎曲圖像。
圖5:3D結構的可穿戴手指動作監(jiān)測柔性裝置。(a) 裝置示意圖;(b) 3D柔性傳感器及其變形性能;(c) 3D柔性傳感器的手指動作傳感測試;(d) 3D傳感器疲勞性能測試;(e) 3D柔性電路板俯視圖像;(f, g) 3D垂直電路圖像;(h) 該柔性裝置的手指動作測試。
通過凝固態(tài)Ga-10In液態(tài)金屬的塑性變形制備復雜結構3D柔性導體具有顯著優(yōu)勢,但作者表示,該3D柔性電子制備方案目前在導電線徑、柔性器件制備效率、以及自動化制造設備等方面仍存在限制。