Быстрый мениск

May 31, 2024

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2643 (2022) Цитировать эту статью

9938 Доступов

33 цитаты

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Жидкий металл рассматривается как многообещающий материал для мягкой электроники благодаря сочетанию в нем высокой электропроводности, сравнимой с металлами, и исключительной деформируемости, обусловленной его жидким состоянием. Однако применимость жидкого металла пока ограничена из-за сложности одновременного достижения его механической стабильности и начальной проводимости. Кроме того, надежное и быстрое создание рисунка из стабильного жидкого металла непосредственно на различных мягких подложках с высоким разрешением остается сложной задачей. В этой работе представлена ​​печать с использованием мениска чернил, содержащих микрогранулярные частицы жидкого металла, прикрепленных к полиэлектролиту, в водном растворителе для создания полутвердого жидкого металла. Микрогранулированные частицы жидкого металла, напечатанные в испарительном режиме, механически стабильны, изначально проводящие и способны формировать рисунок размером до 50 мкм на различных подложках. Демонстрация сверхрастяжимой (напряжение ~500%) электрической схемы, индивидуальной электронной кожи и безотходного датчика ЭКГ подтверждает простоту, универсальность и надежность этой производственной стратегии, обеспечивая ее широкое применение при разработке современной мягкой электроники.

В связи с растущим спросом на электронные устройства для применения в носимых дисплеях, электронной коже (e-skin) и носимых медицинских устройствах, заказная мягкая электроника с высокой растяжимостью получает большое внимание1,2,3,4,5,6. В отличие от традиционных стратегий создания рисунков с использованием жестких масок (например, трафаретной печати, фотолитографии), аддитивное создание рисунков на основе цифровых масок, такое как струйная печать, позволяет быстро и экономично изготавливать электронные устройства различных конструкций7,8,9,10. Кроме того, поскольку рисунок на основе жесткой маски несовместим с мягкими подложками, аддитивная печать считается более подходящей для универсального изготовления мягкой электроники.

Идеальный проводящий материал и процесс печати для мягкой растягивающейся электроники одновременно требуют (1) высокой проводимости, (2) высокого разрешения, (3) высокой растяжимости, (4) механической стабильности, (5) простой одноэтапной быстрой обработки и ( 6) возможность печати на различных подложках. В качестве кандидатов были исследованы 1/2D-материалы, проводящие полимеры и матрица, внедренная в металлические частицы11,12,13,14,15. Однако эти материалы имеют ограничения для использования в качестве мягкой растягивающейся электроники из-за их низкой проводимости по сравнению с металлами и/или недостаточной механической деформируемости. Жидкий металл на основе галлия (ЖМ) преодолевает эти ограничения благодаря своему уникальному сочетанию высокой проводимости на уровне металла и деформируемости16,17,18. Однако механическая нестабильность LM из-за его текучести препятствует его практическому применению, поскольку прямой контакт с другими материалами (например, компонентами электроники, кожей) ограничен19.

Чтобы преодолеть вышеупомянутые недостатки объемного LM, активно изучался подход, основанный на частицах LM, где внешний оксидный слой может сдерживать его жидкоподобное поведение20,21. Однако образование слоя собственного оксида ухудшает электропроводность, поскольку оксид является изолятором. Следовательно, после формирования рисунка требуется дополнительная обработка, такая как механическая очистка, растяжение или химическое травление, чтобы разорвать или удалить оксидный слой10,22,23,24,25. Однако это преобразует частицы LM обратно в объемные LM, тем самым вновь создавая проблемы, с которыми сталкиваются объемные LM. Более того, необходимость дополнительной обработки потенциально приводит к появлению дефектных (например, открытых или закороченных) участков, тем самым создавая неопределенности, которые делают процесс изготовления ненадежным. Чтобы справиться с этим вопросом, Jeong et al. недавно сообщалось о создании микрочастиц жидкого металла с внутренней проводимостью путем легирования водородом, на которые можно нанести рисунок с помощью сопловой печати26. Хотя частицы легированного жидкого металла демонстрируют надежную собственную электропроводность, сохраняя при этом свою стабильность, формирование рисунка с высоким разрешением не было продемонстрировано. Кроме того, чернила на основе органических растворителей и необходимость отжига при высоких температурах в течение длительного периода времени (120 °C, 3 часа) ограничивают тип подложки, которую можно использовать, и ограничивают быстрое производство. Таким образом, несмотря на многочисленные усилия, вышеупомянутые критические требования к печатному проводящему материалу для мягкой растягивающейся электроники до сих пор не решены.