纳米粒子自组装和转移印刷技术助力快速制造高分辨率柔性电子器件

研究背景

高分辨率电子制造技术是现代电子信息的基石，也是各种柔性电子器件和可穿戴设备的关键组成部分。传统的微电子制造技术通常依赖于长的减法制造工艺，尤其是复杂的光刻技术。要形成所需的印刷电路板(PCB)，必须通过光刻形成微图案，然后进行化学蚀刻、金属电镀、抛光、清洗等工序，具体实验步骤多达几十步。化学蚀刻、抛光等减法工艺存在严重的材料浪费和环境污染问题。

纳米粒子微电子学因其制备工艺简单、可扩展性强等特点而受到广泛关注，并已成为未来电子学的重要候选和/或先行者。基于导电油墨和/或浆料的流体印刷技术，如喷墨印刷、挤出印刷、丝网印刷等，在金属纳米粒子和微电子学之间架起了一座有效的桥梁。多年来，人们付出了巨大的努力，这些流体印刷策略在现代电子信息和各种柔性电子设备及可穿戴设备方面取得了突破性进展。然而，在小尺度(高分辨率) 上，各种流体效应，包括油墨/浆料与目标基底/模板之间的毛细现象、流体蒸发引起的咖啡环效应以及油墨/浆料的高粘度，都限制了高分辨率薄型微电子的制备。

与传统印刷电路板相比，这些方法在有效分辨率方面仍面临挑战。虽然按需滴落印刷等技术具有相对较好的分辨率，但其低吞吐量和系统复杂性限制了其扩大生产规模和实际应用的可扩展性。自组装技术可通过各种弱相互作用将各种胶体纳米粒子集成到特定结构

中，在光子晶体和表面增强拉曼等领域显示出极高的价值，特别是微结构诱导的蒸发自组装可实现高分辨率(<1 μm)纳米粒子微图案制备。

研究成果

印刷电子技术是柔性电子器件和可穿戴设备的关键组成部分，但实现高分辨率和高效率的兼容性仍然是一项重大挑战。在此，清华大学汪家道&马原教授团队提出了一种通过自组装和转移印刷快速制造高分辨率纳米粒子微电子的方法。构建了张力梯度-静电引力复合诱导的纳米粒子自组装策略，利用Marangoni效应和电双层效应显著提高了自组装效率、稳定性和覆盖率。紧密堆积的纳米粒子自组装层可在微结构表面大面积快速形成。受油墨印刷的启发，进一步提出了将自组装层转化为保形微图案的转移印刷策略。大面积、高分辨率 (2 μm)和超薄 (1 μm)的纳米粒子微电子可以稳定地制造出来，与流体打印方法相比有了显著的改进。纳米粒子微电子学独特的可变形性、可恢复性和可扩展性得到了揭示，为各种学术和实际应用提供了大有可为的机会。相关研究以“Rapid Fabrication of High-Resolution Flexible Electronics via Nanoparticle Self-Assembly and Transfer Printing”为题发表在Nano Letters期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic， mechanism， and characterization of the tension gradient−electrostatic attraction-induced silver colloidal nanoparticle self-assembly strategy.

Figure 2. Schematic and characterization of the nanoparticle micropattern preparation via self-assembly and a transfer printing strategy.

Figure 3. Schematic and characterization of the electroless plating based on the nanoparticle micropattern.

Figure 4. Demonstration and characterization of the nanoparticle microelectronics.

Figure 5. Demonstration and characterization of the recoverability of the nanoparticle microelectronic.

总结与展望

总之，作者提出了一种通过纳米粒子自组装和转移印刷实现高分辨率柔性电子器件的快速制造方法。我们构建了张力梯度-静电引力复合诱导自组装策略，可在大规模(数百平方厘米)上快速形成紧密堆积的金属纳米粒子自组装结构。此外，还提出了基于固体界面能的保形转移印刷方法，用于在目标基底上将自组装层转化为纳米粒子微图案。采用这种方法可以快速大规模地制备高分辨率(2 μm)和超薄 (1 μm)微图案。实验进一步证明，纳米粒子微图案可作为前驱体，与无电解电镀相结合，形成高导电性铜箔微电路，而无需任何化学蚀刻工艺，这为以环保方式制备印刷电路板提供了充分的可能性。此外，纳米粒子微电路独特的可变形性和可恢复性也得到了揭示和验证。纳米粒子材料的可变形性与结构的可变形性相结合，实现了优势的叠加。这种高效、高分辨率、直接、环保的纳米粒子自组装和转移印制方法为微电子、柔性电子和柔性传感器等应用提供了广阔的前景。

文献链接

Rapid Fabrication of High-Resolution Flexible Electronics via Nanoparticle Self-Assembly and Transfer Printing

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04316

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