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UCLA賀曦敏教授團隊《Adv. Mater.》：基于數字光處理投影光刻的液態金屬印刷技術制備高導電可拉伸柔性電路

2024-01-02 來源：高分子科技

柔性電子電路對于可穿戴電子設備的發展，醫療健康監測的進步，以及軟體機器人的制造方便扮演了至關重要的角色。這些電路的關鍵在于使用具有高導電性，高延展性以及能夠在受力形變時保持穩定電氣性能的柔性導電材料。室溫液態金屬（LMs）由于其在室溫下的出色的導電性和流動性，成為了研究的熱點。然而，高效且可靠地應用液態金屬制備柔性電路的方法依然需要進一步的開發與完善。

基于此，加州大學洛杉磯分校賀曦敏教授團隊設計開發了一種基于數字光處理（DLP）投影光刻的液態金屬印刷技術。該技術使用可光交聯的LM顆粒墨水，僅需5-10秒的圖案化紫外光照射，以及簡單的激活處理，就可打印出高導電且可拉伸的液態金屬圖案（圖1）。通過對其印刷原理（圖2）以及印刷工藝關鍵參數（圖3）的研究，優化后的印刷液態金屬具有了以下優勢：高導電性（3.0×10⁶ S m^-1）,高分辨率（約20μm）,可拉伸（約2500%）和在不同形變下穩定的電學性能（圖4）。此外，這項工作還展示了該印刷技術廣泛的應用，包括可拉伸顯示，表皮應變傳感器，加熱器，濕度傳感器，電圖用貼合電極（圖5）和多層軟體驅動器（圖6）。該研究提出了一種新的液態金屬印刷技術，為柔性電子電路制備提供了新的思路。該工作以“Fast and Facile Liquid Metal Printing via Projection Lithography for Highly Stretchable Electronic Circuits”為題發表在《Advanced Materials》上。論文的第一作者為加州大學洛杉磯分校博士生吳東，通訊作者為賀曦敏教授。

圖1. 基于DLP投影光刻實現的液態金屬印刷。A. 印刷過程示意圖；B. 修飾的LMP原液制備示意圖；C-E. 多種印刷的液態金屬圖案；F. 印刷在SIS基材上的LM可拉伸電路；G. 多種可拉伸導體的初始導電性和最大應變對比。

圖2. 基于DLP投影光刻的LM印刷原理示意圖。A. 在基底上滴加LM墨水；B. 通過紫外曝光印刷交聯的LMP圖案；C. 激活形成LM-PHEA雙層結構；D-F. 對應A,B,C的掃描電子顯微鏡圖像；G. 拉伸釋放過程中LM和PHEA層界面變化的示意圖。

圖3. 印刷工藝關鍵參數的研究。A. 不同超聲振幅和時間下的平均LMP尺寸；B. 使用不同超聲條件準備的LMP墨水在不同光強下印刷的條紋圖案對比；C. 在不同光強下印刷條紋的線寬范圍；D. 在不同光強下印刷圖案的分辨率；E. 通過使用灰度圖像優化的印刷條紋圖案；F. 使用不同交聯劑濃度的LMP墨水印刷條紋的相對線寬；G.交聯劑濃度對印刷圖案的方阻的影響；H. LM濃度對印刷圖案的方阻的影響。

圖4. 印刷液態金屬圖案在形變下的電學表征。A. 印刷液態金屬在扭轉，彎曲和拉伸下的實物圖；B. 不同扭轉角度下樣品的相對電阻變化；C. 不同彎曲半徑下樣品的相對電阻變化；D. 不同彎曲周期下樣品的相對電阻變化；E. 不同應變下樣品的相對電阻/電阻變化；F. 100%應變下樣品的相對電阻變化。

圖5. 印刷液態金屬電路在可穿戴電子中的應用。 A. 用于熱療的LM加熱器的紅外熱成像；B. 不同電壓下LM加熱器的溫度變化曲線；C. LM 呼吸傳感器在監測不同呼吸模式下的漏電流曲線；D.利用 LM電極與Ag/AgCl電極收集肌電圖；E. LM應變傳感器在手指不同彎折角度下的電阻變化；F. LM應變傳感器在手指反復彎曲下的電阻變化；G. LM接觸傳感器在手指反復接觸下的電容變化。

圖6. 印刷液態金屬電路在軟機器人中的應用。A. 雙層薄膜電磁致動器的示意圖和實物圖；B. 不同輸入電壓下致動器彎曲程度；C. 彎曲角度隨電流變化曲線；D. 雙層LM-LCE致動器示意圖；E. 100mA輸入電流下LM-LCE致動器發生卷曲；F. LM-LCE夾持器通過電熱致動拾起一塊海綿。

該工作是團隊近期關于數字光處理印刷及3D打印的進展之一。在過去的幾年中，團隊進行了一系列關于銀印刷（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807615.），金印刷（Adv. Mater. 2022, 34, 2201772）和水凝膠4D打印（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 50, 47468–47475；ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 11, 12689–12697； Adv. Mater. 2021, 33, 2008235）的研究。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202307632

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（責任編輯：xu）

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