鎵基液態金屬（LM）由于其優異的金屬導電性以及室溫流動性特點，被認為在柔性電子領域具有廣泛的應用前景。基于鎵基LM材料，目前已成功開發出各類柔性電子器件，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是該領域的研究熱點，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，液態金屬的流動性是一把雙。刃劍，雖然它為LM柔性器件提供了優異的可變形性，但同時給3D結構柔性電路的制備帶來了巨大挑戰。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，哈爾濱工業大學（深圳）馬星教授聯合中科院深圳*技術研究院劉志遠研究員，提出了一種通過將鎵基液態金屬轉變為固態并通過塑性變形制備復雜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理論，著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的高塑性特點允許通過機械彎曲、纏繞等方式制備復雜3D結構導體，在熔點以下溫度將3D導體與功能芯片連接并使用硅膠封裝后，熔點以上溫度加熱(>22.7 °C)便可使Ga-10In熔化并恢復其流動性。此外由于過冷效應，Ga-10In導體可以在低于熔點的一定的溫度范圍內保持液態，保證了柔性電子器件的服役溫度區間。為證明該方案的實用性，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作監測裝置。相關工作以“Three-dimensional flexible electronics using solidified liquid metal with regulated plasticity”為題發表于電子領域期刊《Nature Electronics》，2019級博士生李國強同學為該論文第一作者。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拱形跳線提供了精密支持。
圖1：基于可調塑性的凝固態液態金屬的3D柔性電子簡介說明。(a) 液態的Ga-10In轉變為固態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合金熔點與In元素含量的關系。
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-應變關系；(b) 2D應變傳感器平均GF值與應變的關系；(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陣列動態彎曲圖像。
圖5：3D結構的可穿戴手指動作監測柔性裝置。(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作測試。
通過凝固態Ga-10In液態金屬的塑性變形制備復雜結構3D柔性導體具有顯著優勢，但作者表示，該3D柔性電子制備方案目前在導電線徑、柔性器件制備效率、以及自動化制造設備等方面仍存在限制。
更新時間：2023-02-02
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