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克服表面張力使液態(tài)金屬可拉伸電子器件化的研究進(jìn)展
來(lái)源:中國(guó)科學(xué)雜志社 瀏覽 877 次 發(fā)布時(shí)間:2022-06-02
最近,哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院齊殿鵬教授團(tuán)隊(duì)的綜述文章“From liquid metal to stretchable electronics:Overcoming the surface tension”在Science China Materials(SCMs)期刊在線發(fā)表,總結(jié)了近年來(lái)通過(guò)克服表面張力使液態(tài)金屬可拉伸電子器件化的研究進(jìn)展。
液態(tài)金屬(LMs)是在室溫下同時(shí)具備金屬導(dǎo)電性以及液體延展性的金屬。不同于廣為人知的金屬汞,鎵及其合金因其低毒性和超低蒸汽壓而具備在可拉伸電子領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的潛力。可拉伸電子器件是指在被拉長(zhǎng)的條件下保持其功能的電路和電子元件,這種器件在許多現(xiàn)有芯片技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中大放異彩,并且可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子設(shè)備的不足,例如輔助和替代傳統(tǒng)的生理檢測(cè)系統(tǒng)等。這類(lèi)器件同時(shí)對(duì)材料的高導(dǎo)電性和高延展性提出了要求,而液態(tài)金屬十分契合這兩個(gè)重要特性。然而,在使液態(tài)金屬可拉伸電子器件化的過(guò)程中存在一個(gè)天然的阻礙,即液態(tài)金屬的高表面張力(>600 mN/m)。其高表面張力阻止液態(tài)金屬潤(rùn)濕大多數(shù)表面,并支持其自發(fā)形成球形液滴的傾向,進(jìn)而難以形成電子器件要求的圖案。
該文從克服液態(tài)金屬表面張力的角度出發(fā),將液態(tài)金屬的成型方式分為利用宏觀機(jī)械力、改變顆粒尺寸、相變及改變潤(rùn)濕特性這四個(gè)策略??朔吮砻鎻埩Φ淖璧K后,液態(tài)金屬在傳感、能量收集等方面有巨大的應(yīng)用前景。此外,該文還討論了目前該領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
圖1克服液態(tài)金屬表面張力的四種策略及其成型的難易程度
圖文要點(diǎn)
液態(tài)金屬及其氧化層
液態(tài)金屬在含有微量氧氣的環(huán)境中就會(huì)被氧化,形成0.5–5 nm的自限的氧化層,獲得保持非球面形狀的能力。
圖2液態(tài)金屬及其氧化層的性質(zhì)
(1)使用宏觀機(jī)械力
宏觀機(jī)械力在此特指用來(lái)限制液態(tài)金屬表面張力,使其保持非球形狀的力。研究人員通過(guò)小直徑的通道將液態(tài)金屬擠出或吸收,在氧化層的幫助下形成明顯超過(guò)瑞利極限的圓柱體形狀。
圖3 3D打印成型液態(tài)金屬
圖4半開(kāi)放式通道填充和微通道注射法成型液態(tài)金屬
(2)減小顆粒尺寸
使用超聲和剪切等自上而下的方法將液態(tài)金屬?gòu)囊粋€(gè)大的液滴分割成許多微米級(jí)或納米級(jí)的液滴,并保證其粒度分布相對(duì)均勻。氧化層或其他人工形成的表面修飾將暫時(shí)阻止液滴的重新結(jié)合。可拉伸電子設(shè)備的圖案可以通過(guò)排列這些液滴來(lái)繪制,這相當(dāng)于通過(guò)減小粒徑以增加比表面積(增加氧化層比例)進(jìn)而降低表面張力。
圖5減小粒徑使液態(tài)金屬成型
(3)相變
由于液態(tài)金屬的低熔點(diǎn)(不超過(guò)16℃),采取冷凍相變使液態(tài)金屬凝固加強(qiáng)了內(nèi)部分子與表面分子的結(jié)合力,能更徹底地克服液態(tài)金屬的表面張力。改變相位作為一種輔助方法,與使用機(jī)械外力的方法相結(jié)合,可有效增強(qiáng)液態(tài)金屬在成型過(guò)程中的穩(wěn)定性。
(4)改變潤(rùn)濕特性
除了某些特定材料的表面(金、銅、錫等)可以潤(rùn)濕外,使用施加電壓等方法也可以改變液態(tài)金屬的潤(rùn)濕特性,使其在基材表面擴(kuò)散,在此基礎(chǔ)上可以制造出可拉伸的電子設(shè)備。
圖6冷凍相變及改變潤(rùn)濕特性使液態(tài)金屬成型
總結(jié)和展望
雖然基于液態(tài)金屬的成型技術(shù)及其應(yīng)用的研究在過(guò)去十幾年中得到快速發(fā)展,但是在這些電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用前,仍有一些挑戰(zhàn)亟待解決。
首先,液態(tài)金屬能在可拉伸電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,很大程度上取決于其流體特性,單純使用彈性體封裝液態(tài)金屬,通常不存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此,在需要外部導(dǎo)體連接電子設(shè)備的電路中,無(wú)論是作為導(dǎo)體還是電子設(shè)備,液態(tài)金屬被彈性體覆蓋的結(jié)構(gòu)都需要與其他導(dǎo)體接觸。如果用剛性導(dǎo)體來(lái)接觸,由于液態(tài)金屬的流體性質(zhì),剛性導(dǎo)體需要植入彈性體。彈性體和剛性導(dǎo)體之間的楊氏模量相差幾個(gè)數(shù)量級(jí),這導(dǎo)致在工作過(guò)程中容納剛性導(dǎo)體的彈性體通道被擴(kuò)大,有泄露的風(fēng)險(xiǎn)。如果利用水凝膠等可拉伸導(dǎo)體作為觸點(diǎn),由于其阻值相對(duì)較大,設(shè)備的性能會(huì)有較大損失。因此,適當(dāng)?shù)倪B接方法仍有待開(kāi)發(fā)。
其次,液態(tài)金屬在一些特定材料的光滑表面上顯示出良好的鋪展性能,如金、鋅和銅。良好的鋪展性能來(lái)自于液態(tài)金屬對(duì)這些材料的吸收。液態(tài)金屬會(huì)進(jìn)入材料的晶格,使其產(chǎn)生脆性。然而,在液態(tài)金屬吸收這些元素后,其氧化層的性質(zhì)是否發(fā)生變化,是否能保持原來(lái)的形狀,仍有待研究。由這些材料制成的電子器件的使用壽命和穩(wěn)定性也值得關(guān)注。
最后,關(guān)于液態(tài)金屬內(nèi)部氧化層的動(dòng)力學(xué)的許多問(wèn)題都值得討論,這將實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化層更精確和全面的調(diào)控,并大大擴(kuò)展液態(tài)金屬在可拉伸電子器件中的應(yīng)用。