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基于可調(diào)塑性的凝固態(tài)液態(tài)金屬的3D柔性電子

更新時間：2023-02-02點擊次數(shù)：693

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鎵基液態(tài)金屬（LM）由于其優(yōu)異的金屬導(dǎo)電性以及室溫流動性特點，被認為在柔性電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(lǐng)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(jié)構(gòu)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(fù)雜3D結(jié)構(gòu)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(xué)（深圳）馬星教授聯(lián)合中科院深圳*技術(shù)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(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)并通過塑性變形制備復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)柔性導(dǎo)體的方法。作者基于金屬材料的合金化及相關(guān)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(chǔ)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(fù)雜3D結(jié)構(gòu)導(dǎo)體，在熔點以下溫度將3D導(dǎo)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(fù)其流動性。此外由于過冷效應(yīng)，Ga-10In導(dǎo)體可以在低于熔點的一定的溫度范圍內(nèi)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(shè)計了具有超高靈敏度的3D應(yīng)變傳感器、由3D跳線導(dǎo)體構(gòu)成的二極管 (LED) 陣列以及由3D螺旋結(jié)構(gòu)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(guān)工作以“Three-dimensional flexible electronics using solidified liquid metal with regulated plasticity”為題發(fā)表于電子領(lǐng)域期刊《Nature Electronics》，2019級博士生李國強同學(xué)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(shè)備3D打印的高精度模具，為制備2D應(yīng)變傳感電路和3D拱形跳線提供了精密支持。

 

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圖1：基于可調(diào)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(zhuǎn)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。

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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(shù)于In元素含量的關(guān)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(xué)性能測試；(f) 圖(e)對應(yīng)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(guān)系。

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圖3：2D應(yīng)變傳感器的電力性能測試及3D高靈敏度應(yīng)變傳感器設(shè)計。(a) 2D應(yīng)變傳感器電阻-應(yīng)變關(guān)系；(b) 2D應(yīng)變傳感器平均GF值與應(yīng)變的關(guān)系；(c) 2D應(yīng)變傳感器橫向及縱向拉伸性能測試；(d) 3D應(yīng)變傳感器照片及其性能；(e) 3D應(yīng)變傳感器擠壓位置的CT微觀表征；(f) 與已報道LM應(yīng)變傳感器的靈敏度對比。

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圖4：Ga-10In 3D拱形導(dǎo)體及其LED柔性陣列應(yīng)用。(a) 熔化前后拱形Ga-10In導(dǎo)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。

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圖5：3D結(jié)構(gòu)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(fù)雜結(jié)構(gòu)3D柔性導(dǎo)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(dǎo)電線徑、柔性器件制備效率、以及自動化制造設(shè)備等方面仍存在限制。