光刻图案化液态金属颗粒组装膜

以下文章来源于液态金属FM ，作者gangsheng

液态金属的图案化是制备柔性电子器件的关键一步。将液态金属分散成微纳米颗粒有利于兼容常规的溶液印刷工艺以实现高效图案化。然而，由于液态金属表面氧化层的存在，液态金属颗粒组装的薄膜往往需要进一步的机械烧结才能实现电连通。这种后烧结处理往往会导致线路的不均一甚至损伤失效，而且还限制了高分辨率线路的构建。近日，韩国科学技术院Jae-Woong Jeong 和Steve Parki团队将镓铟共晶合金（EGaIn）和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）超声分散到乙酸溶液，构建了一种可在光刻胶衬底上均匀密集铺展的EGaIn*:PSS油墨。PSS包裹在EGaIn颗粒（EGaIn*）表面可以使其紧凑组装，且在溶液剪切铺展过程中不会发生破裂。当使用二甲基亚砜(DMSO)作为剥离液去除光刻胶时，会引发EGaIn*:PSS的内聚导电和成膜，因此无需后烧结处理。该液态金属薄膜图案具有高分辨（最小线宽20微米），应变不敏感，可大面积制备和多基底兼容等优点。此外，作者采用多次光刻构建了多层互通的液态金属薄膜图案，并展示了其在高分辨率压力传感阵列和应变传感等方面的应用。相关工作以“Large-area photo-patterning of initially conductive EGaIn particle-assembled film for soft electronics”发表在《Materials Today》上。

图1.颗粒组装液态金属薄膜柔性电子的制备流程以及关键性能展示。a.EGaIn*:PSS油墨的制备。b.使用溶液剪切法在有光刻胶(PR)图案的基片上涂覆EGaIn*PSS薄膜。C.基于光刻胶剥离的EGaIn*:PSS薄膜图案化。d.EGaIn*:PSS薄膜的制备。(i) EGaIn*:PSS薄膜的SEM图像。(ii)初始电导的EGaIn*: PSS薄膜图案。(iii)高分辨率EGaIn*:PSS薄膜图案。(iv)EGaIn*:PSS薄膜的多层堆叠结构。(v)在多种基底上图案化EGaIn*:PSS薄膜。

图2.溶液剪切EGaIn*:PSS墨水和颗粒组装表征。a.EGaIn*:PSS示意图。b.EGaIn*:PSS薄膜的EDS图像。c.不同油墨的薄膜覆盖率。d.不同超声时间下油墨粒度分布。e.溶液剪切法制备EGaIn*:PSS薄膜的原理图和侧视图。f. EGaIn*:PSS薄膜的三维表面轮廓数据和SEM图像。g. EGaIn*:PSS薄膜涂在各种基材上。h.薄膜厚度与油墨剪切速度的关系。i.不同剪切速度下EGaIn*:PSS颗粒组装膜的SEM截面图。j.裸基板和PR图案基板上EGaIn*:PSS膜的SEM横截面图。K.块状薄膜的SEM横截面图像。

图3. EGaIn*:PSS薄膜的基于有机溶剂的电激活和基于光刻胶剥离的图案化。a. DMSO分离PSS诱导EGaIn*:PSS内聚。b. EGaIn*:PSS膜在DMSO浸泡前后的SEM和EDS图像。c. EGaIn*:PSS薄膜在DMSO中浸泡前后的XPS光谱。d.EGain*:PSS膜在DMSO浸泡前后的电导率。e.薄膜截面的SEM图像多层结构(左)和中间有聚酰亚胺(PI)的绝缘多层结构(右)。f.叉指电极。g. 薄膜的SEM图像和剖面深度数据。h.不同厚度的EGaIn*:PSS薄膜。i.硅片上图案化薄膜。j.块状薄膜和涂有高酸性油墨的薄膜经过剥离处理后的光学图像。

图4.颗粒组装液态金属薄膜的电学特性和柔性电子应用展示。a.LED电路。b. EGaIn*:PSS薄膜相对电阻随应变的变化。c.有(红色)和无(黑色)应变的LED电路的I-V曲线。d.大面积可拉伸LED显示屏。e.基于多层EGaIn*:PSS薄膜的高分辨率压力传感阵列(SPSA)。f.SPSA的结构示意图。g. SPSA上的的压力映射。h.上万次压力循环测试结果。

图5.基于EGaIn*: PSS薄膜的人造手指表征。人造手指的a.示意图和b.光学图像。c.端子1和3之间电阻随压力的变化。d.端子1和端子2之间电阻随应变的变化。e.有应变和无应变时压力传感器的电阻变化。f.人工手指用于压力和应变的同步实时监测。

文章信息：

G.-H. Lee, H. Kim, J. Lee, J.-Y. Bae, C. Yang, H. Kim, H. Kang, S. Q. Choi, S. Park, S.-K. Kang, J. Kang, Z. Bao, J.-W. Jeong, S. Park, Materials Today 2023, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.05.025.

转自：“i学术i科研”微信公众号

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