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

2024-01-02 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：數(shù)字光處理投影光刻液態(tài)金屬印刷技術(shù) 高導電柔性電路

柔性電子電路對于可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，醫(yī)療健康監(jiān)測的進步，以及軟體機器人的制造方便扮演了至關(guān)重要的角色。這些電路的關(guān)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(wěn)定電氣性能的柔性導電材料。室溫液態(tài)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(yīng)用液態(tài)金屬制備柔性電路的方法依然需要進一步的開發(fā)與完善。

基于此，加州大學洛杉磯分校賀曦敏教授團隊設(shè)計開發(fā)了一種基于數(shù)字光處理（DLP）投影光刻的液態(tài)金屬印刷技術(shù)。該技術(shù)使用可光交聯(lián)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(tài)金屬圖案（圖1）。通過對其印刷原理（圖2）以及印刷工藝關(guān)鍵參數(shù)（圖3）的研究，優(yōu)化后的印刷液態(tài)金屬具有了以下優(yōu)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(wěn)定的電學性能（圖4）。此外，這項工作還展示了該印刷技術(shù)廣泛的應(yīng)用，包括可拉伸顯示，表皮應(yīng)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(qū)動器（圖6）。該研究提出了一種新的液態(tài)金屬印刷技術(shù)，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(fā)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(xiàn)的液態(tài)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(tài)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(yīng)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(lián)的LMP圖案；C. 激活形成LM-PHEA雙層結(jié)構(gòu)；D-F. 對應(yīng)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(guān)鍵參數(shù)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(yōu)化的印刷條紋圖案；F. 使用不同交聯(lián)劑濃度的LMP墨水印刷條紋的相對線寬；G.交聯(lián)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(tài)金屬圖案在形變下的電學表征。A. 印刷液態(tài)金屬在扭轉(zhuǎn)，彎曲和拉伸下的實物圖；B. 不同扭轉(zhuǎn)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(yīng)變下樣品的相對電阻/電阻變化；F. 100%應(yīng)變下樣品的相對電阻變化。

圖5. 印刷液態(tài)金屬電路在可穿戴電子中的應(yīng)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(jiān)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(yīng)變傳感器在手指不同彎折角度下的電阻變化；F. LM應(yīng)變傳感器在手指反復(fù)彎曲下的電阻變化；G. LM接觸傳感器在手指反復(fù)接觸下的電容變化。

圖6. 印刷液態(tài)金屬電路在軟機器人中的應(yīng)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(fā)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(guān)于數(shù)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(guān)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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