液態(tài)金屬薄膜導體實現(xiàn)3D表面的高度可拉伸電極

可拉伸和柔性電子已經(jīng)在可穿戴設備、生物醫(yī)療器械、柔性光學器件以及軟機器人等許多新興領域吸引了廣泛關(guān)注。在這些應用中，可拉伸導電材料是一個重要且基本的組成要素，是當前的研究熱點。關(guān)于可拉伸導體的研究已有廣泛報道，例如：導電彈性體、金屬納米線以及圖案化的金屬薄膜導體等。

盡管這些可拉伸導電方案在許多應用中非常有前景，但在某些情況下，這些方法可能存在影響其應用的局限性。例如，低體積電導率、高機電耦合或彈性差等一種或多種特性的組合，可能會使導電彈性體和金屬納米線導體的功能性受到限制。同樣，確定性架構(gòu)通常需要先進的制造技術(shù)來圖案化薄膜導體的波浪/蛇形跡線。同時，由于非直線圖案，它們的拉伸性有限且面密度較低。

為了解決上述問題，已有報道采用液態(tài)金屬（LM）組成的室溫可拉伸導體。液態(tài)金屬具有適合可拉伸導體的特性，例如高導電性、極強的可拉伸性、可圖案化以及源自固有液態(tài)性質(zhì)的共形性?；谝簯B(tài)金屬的方案解決了可拉伸導體的必要功能。

盡管迄今已經(jīng)投入了大量的研究，但液態(tài)金屬導體的優(yōu)勢很大程度上仍然受限于襯底或封閉微通道。帶有襯底的電路不可避免地面臨著一個無法解決的困境，即襯底和電路是分不開的，電路下方的襯底會不可避免地阻礙圖案化電路的移動、附著、修復和調(diào)整，從而限制了其適用性。

為此，研究人員正在努力開發(fā)薄且柔性的襯底，以盡量減少襯底造成的負面影響。然而，襯底的存在使得有些問題不可避免，如果不徹底移除襯底，則不可能完全排除這些問題。為了克服襯底引起的限制并擴展可拉伸導體的適用性，需要開發(fā)具有優(yōu)異機電性能的獨立導體或無襯底導體。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，韓國首爾大學和美國卡耐基梅隆大學的一支合作研究團隊，開發(fā)了一種獨立的圖案化液態(tài)金屬薄膜導體（FS-GaIn），能夠在無襯底狀態(tài)下獨立并直接應用于不規(guī)則表面。FS-GaIn通過將金屬納米線引入液態(tài)金屬，然后在無掩模和室溫條件下進行順序選擇性激光加工和選擇性蝕刻而制成。激光輔助制造有助于超快圖案化（激光掃描速度為100?mm/s）和快速成型。

當整合到電路中時，F(xiàn)S-GaIn無需封裝即可承受極端應變且電阻變化很小，無需后處理就能與剛性部件形成穩(wěn)定的電連接，并且能夠與非平坦3D表面保持共形接觸。由FS-GaIn改進的電路也顯示出很高的穩(wěn)定性。

FS-GaIn是一種特殊的金屬基超級可拉伸薄膜導體，可應用于凹凸不平的3D表面或用于原位電路修整，憑借無襯底薄膜液態(tài)金屬導體特性，擴展了柔性和可拉伸電子領域的應用。

FS-GaIn制造工藝示意圖，通過連續(xù)可見光激光對真空過濾的液態(tài)金屬-銀納米線（LM-AgNW）薄膜進行直接激光圖案化，以及隨后的選擇性蝕刻而制備。（i）FS-GaIn掃描電鏡顯微圖；（ii、iii）液態(tài)金屬-銀納米線薄膜激光曝光前后的掃描電鏡顯微圖。

左圖：FS-GaIn與人耳模型及剛性部件的共形連接；右圖：樹狀圖案化FS-GaIn。

FS-GaIn制備原理和工藝

總結(jié)來說，研究人員在這項研究中開發(fā)了FS-GaIn，具有高電導率（5.79?×?10? S/m），在1350%應變范圍內(nèi)電阻變化較小，在10000次100%應變循環(huán)周期內(nèi)保持穩(wěn)定，并且，在拉伸時能夠保持與剛性部件的穩(wěn)定接觸。FS-GaIn優(yōu)異的機電性能源于三個主要原因，即表面共形性、高度曲折的蛇形結(jié)構(gòu)，以及液態(tài)金屬和銀納米線之間的潤濕性。

通過應用FS-GaIn貼片修復的電路也展示了穩(wěn)定的連接，并且能夠承受超過1000%的應變而不發(fā)生電斷開。FS-GaIn制造方法簡便，采用直接激光寫入和蝕刻組合，能夠在無掩模和室溫條件下快速制造圖案化的FS-GaIn。通過充分利用多相燒結(jié)區(qū)和非燒結(jié)區(qū)之間的差異化蝕刻，實現(xiàn)了FS-GaIn的制造。

FS-GaIn的特性還可以進行原位電路修改、附著到具有尖銳輪廓的3D表面，以及在受限環(huán)境下安裝電路。FS-GaIn克服了傳統(tǒng)薄膜導體不可避免的局限性，將其應用于可穿戴電子器件、柔性光學器件和軟機器人有望開辟下一代可拉伸電子設備。

審核編輯：劉清