液态金属为透明电子电路印刷带来革命性变革

研究人员开发出一种在室温下打印金属氧化物薄膜的技术，并通过将金属氧化物打印到聚合物上演示了这一技术，从而创造出高度灵活的电路。资料来源：Minsik Kong

这项工作的论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系卡米尔-德雷福斯和亨利-德雷福斯教授迈克尔-迪基（Michael Dickey）说。"我们想开发一种在室温下制造和沉积金属氧化物薄膜的技术，实质上就是打印金属氧化物电路。"

金属氧化物是几乎所有电子设备中都有的重要材料。大多数金属氧化物是电绝缘的（如玻璃）。但有些金属氧化物既导电又透明，这些氧化物对智能手机的触摸屏或电脑的显示器至关重要。

"原则上，金属氧化物薄膜应该很容易制造，"Dickey 说。"毕竟，我们家中几乎所有的金属物品--汽水罐、不锈钢锅和叉子--的表面都会自然形成金属氧化物。虽然这些氧化物随处可见，但它们的用途却很有限，因为它们无法从其上形成的金属中去除。"

在这项工作中，研究人员开发出了一种从液态金属半月板中分离金属氧化物的新方法。如果在一根管子中注入液体，半月板就是液体延伸到管子末端之外的弯曲表面。它之所以弯曲，是因为表面张力阻止液体完全溢出。在液态金属的情况下，半月板表面覆盖着一层薄薄的金属氧化皮，它是在液态金属与空气接触的地方形成的。

"我们在两块玻璃载玻片之间填充液态金属，这样就能在载玻片两端之外形成一个小的半月板，"迪基说，"把载玻片想象成打印机，液态金属就是墨水。然后，液态金属的半月板就可以与表面接触。半月板的四面都覆盖着氧化物，类似于包裹水气球的薄橡胶。 当我们将半月板移过表面时，半月板正面和背面的金属氧化物就会粘在表面上并剥落下来，就像蜗牛留下的痕迹一样。 当这种情况发生时，半月板上暴露的液体就会不断形成新的氧化物，从而实现连续打印。"

其结果是，打印机打印出两层厚度约为 4 纳米的金属氧化物薄膜。

"值得注意的是，尽管我们使用的是液体，但沉积在基底上的金属氧化物薄膜是固体，而且非常薄。薄膜附着在基板上，不会被弄脏或涂抹开，这对印刷电路非常重要。"

研究人员用几种液态金属和金属合金演示了这种技术，每种金属都会改变金属氧化物薄膜的成分。研究人员还能通过打印机多次打印，铺设出一叠叠分层薄膜。观看该技术的视频：

Dickey 说："我们发现令人惊讶的一点是，印刷薄膜是透明的，但却具有金属特性，例如，具有很强的导电能力。"

这项研究论文的共同通讯作者、浦项科技大学（POSTECH）材料科学与工程系教授 Unyong Jeong 说："由于薄膜具有金属特性，金与印刷氧化物结合在一起，这很不寻常--金通常不会粘附在氧化物上。当在这些薄膜中引入少量金时，金基本上就融入了薄膜中。这有助于防止氧化物的导电性能随着时间的推移而退化"。

"我们认为，这些薄膜之所以具有如此高的导电性，是因为双层薄膜的中心含有极少量的氧，它更多的是金属，而不是氧化物。如果没有金的存在，随着时间的推移，更多的氧气会进入层状薄膜的中心，从而导致薄膜变得电绝缘。在薄膜中添加金有助于防止薄膜中心部分氧化。这种方法效果如此之好令人惊讶，因为我们只用了很少的金--氧化物薄膜的透明度仍然很高。"

此外，研究人员还发现，这些薄膜在高温下仍能保持其导电性能。如果薄膜厚度为 4 纳米，它的导电性能可保持到近 600摄氏度。如果薄膜厚度为 12 纳米，则其导电性能至少可保持到 800 摄氏度。

研究人员还将金属氧化物印制到聚合物上，制作出了高度柔性的电路，这些电路足够坚固，即使被折叠 40000 次后仍能保持其完整性。

Dickey 说："这种薄膜还可以转移到其他表面，比如树叶，从而在非常规的地方制造电子器件。我们正在保护这项技术的知识产权，并愿意与业界伙伴合作，共同探索潜在的应用领域。"

编译自/ScitechDaily