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(dòng)性特點(diǎn)，被認為在柔性電子領(lǐng)域具有廣泛的應用前景?；阪壔鵏M材料，目前已成功開(kāi)發(fā)出各類(lèi)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(lái)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，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(dòng)性是一把雙。刃劍，雖然它為L(cháng)M柔性器件提供了優(yōu)異的可變形性，但同時(shí)給3D結構柔性電路的制備帶來(lái)了巨大挑戰。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(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(guò)將鎵基液態(tài)金屬轉變?yōu)楣虘B(tài)并通過(guò)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(guān)理論，著(zhù)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(diǎn)允許通過(guò)機械彎曲、纏繞等方式制備復雜3D結構導體，在熔點(diǎn)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(diǎn)以上溫度加熱(>22.7 °C)便可使Ga-10In熔化并恢復其流動(dòng)性。此外由于過(guò)冷效應，Ga-10In導體可以在低于熔點(diǎn)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間。為證明該方案的實(shí)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(xiàn)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(dòng)作監測裝置。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(xiàn)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(jiǎn)介說(shuō)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(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(diǎn)與In元素含量的關(guān)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(guān)系；(b) 2D應變傳感器平均GF值與應變的關(guān)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(guān)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) 控制系統和LED柔性陣列照片；(f) LED陣列動(dòng)態(tài)彎曲圖像。
圖5：3D結構的可穿戴手指動(dòng)作監測柔性裝置。(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(dòng)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(dòng)作測試。
通過(guò)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(zhù)優(yōu)勢，但作者表示，該3D柔性電子制備方案目前在導電線(xiàn)徑、柔性器件制備效率、以及自動(dòng)化制造設備等方面仍存在限制。
更新時(shí)間：2023-02-02
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