哈工大(深圳)马星团队和中科院刘志远研究员: 基于可调塑性的凝固态液态金属的3D柔性电子

发布日期:2023-02-06

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镓基液态金属(LM)由于其优异的金属导电性以及室温流动性特点,被认为在柔性电子领域具有广泛的应用前景。基于镓基LM材料,目前已成功开发出各类柔性电子器件,如可穿戴传感器、柔性电容器、柔性电感器以及柔性变阻器等。LM柔性器件的集成性和可靠性一直以来是该领域的研究热点,其中3D柔性电子被普遍认为是提高集成性的有效解决方案之一。然而,液态金属的流动性是一把双刃剑,虽然它为LM柔性器件提供了优异的可变形性,但同时给3D结构柔性电路的制备带来了巨大挑战。目前报道的3D打印、冷冻打印、通道填充等方法在复杂3D结构电路的制备、工艺成本以及功能性芯片的集成等方面仍存在不足。

 

近期,哈尔滨工业大学(深圳)马星教授联合中科院深圳先进技术研究院刘志远研究员,提出了一种通过将镓基液态金属转变为固态并通过塑性变形制备复杂3D结构柔性导体的方法。作者基于金属材料的合金化及相关理论,着重考量材料的相变温度、机械强度和塑性加工性能,筛选出Ga-10In作为3D柔性电子制备的基础材料。固体Ga-10In的高塑性特点允许通过机械弯曲、缠绕等方式制备复杂3D结构导体,在熔点以下温度将3D导体与功能芯片连接并使用硅胶封装后,熔点以上温度加热(>22.7 °C)便可使Ga-10In熔化并恢复其流动性。此外由于过冷效应,Ga-10In导体可以在低于熔点的一定的温度范围内保持液态,保证了柔性电子器件的服役温度区间。为证明该方案的实用性,作者设计了具有超高灵敏度的3D应变传感器、由3D跳线导体构成的二极管 (LED) 阵列以及由3D螺旋结构的可穿戴传感器和多层柔性电路板组成的手指动作监测装置。相关工作以“Three-dimensional flexible electronics using solidified liquid metal with regulated plasticity”为题发表于电子领域权威期刊《Nature Electronics》,2019级博士生李国强同学为该论文第一作者。

 

在本项研究中,由摩方精密25 μm精度的nanoArch P150设备3D打印的高精度模具,为制备2D应变传感电路和3D拱形跳线提供了精密支持。

 

 

图1:基于可调塑性的凝固态液态金属的3D柔性电子简介说明。(a) 液态的Ga-10In转变为固态的片状和棒状示意图;(b) 塑性变形能力对比;(c) Ga-10In低温拉伸性能;(d) Ga-10In相变性能测试;(e) 基于该方案制备的3D柔性电子。

 

 

图2:Ga-In合金材料表征及性能测试。(a) 凝固态Ga-10In显微组织;(b) Ga-In合金中A6相体积分数于In元素含量的关系;(c) Ga-10In和Ga-15In显微组织表征;(d) Ga-10In拉伸样断口附近显微组织表征;(e) Ga-In合金力学性能测试;(f) 图(e)对应的屈服强度和延伸率;(g) Ga-In合金相变测试;(h) Ga-In合金熔点与In元素含量的关系。

 

 

图3:2D应变传感器的电力性能测试及3D高灵敏度应变传感器设计。(a) 2D应变传感器电阻-应变关系;(b) 2D应变传感器平均GF值与应变的关系;(c) 2D应变传感器横向及纵向拉伸性能测试;(d) 3D应变传感器照片及其性能;(e) 3D应变传感器挤压位置的CT微观表征;(f) 与已报道LM应变传感器的灵敏度对比。

 

 

 图4:Ga-10In 3D拱形导体及其LED柔性阵列应用。(a) 熔化前后拱形Ga-10In导体图像;(b) LED阵列示意图;(c) LED阵列电流-电压性能测试;(d) 控制装置和LED阵列电路图;(e) 控制系统和LED柔性阵列照片;(f) LED阵列动态弯曲图像。

 

 

图5:3D结构的可穿戴手指动作监测柔性装置。(a) 装置示意图;(b) 3D柔性传感器及其变形性能;(c) 3D柔性传感器的手指动作传感测试;(d) 3D传感器疲劳性能测试;(e) 3D柔性电路板俯视图像;(f, g) 3D垂直电路图像;(h) 该柔性装置的手指动作测试。

 

通过凝固态Ga-10In液态金属的塑性变形制备复杂结构3D柔性导体具有显著优势,但作者表示,该3D柔性电子制备方案目前在导电线径、柔性器件制备效率、以及自动化制造设备等方面仍存在限制。

 

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41928-022-00914-8

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