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  傳統PCB板制備屬減材制造，制備方法較為復雜，生成的電路具有高機械強度，不適于柔性電子的制備。近來，柔性電子制造技術的發展備受關注，液態金屬是一種室溫下具有流動性和高導電率的材料，在全球范圍日益正被不斷引入到柔性印刷電子的研究。比起其他導電墨水，液態金屬具有導電率高，不用燒結的優點，其電路的制備方法包括液態金屬直寫、毛細填充、掩膜印刷等。

  兩年前，中科院理化所/清華大學劉靜團隊首次將激光打印技術引入液態金屬電路制備中，通過在涂有PU膠水的熱轉印紙表面，借助激光打印數字化構建墨粉掩模，使液態金屬可以選擇性粘附于PU膠水表面，快速構建了Ga基導電圖案，步驟示意圖如圖1所示。該方法為液態金屬快速成型提供了一種新思路，方法便捷、快速。不過這種方法當時主要適用于二維平面。

圖1. 基于熱轉印紙/PU膠水/墨粉的液態金屬圖案制備方法

  近日，在前期工作的基礎上，該團隊發明了一種低成本快速構筑液態金屬三維柔性電路的多模式移印方法。研究人員首先采用激光打印在銅紙板上數字化構建了乳液聚合墨粉, 由此可將鎵基液態金屬選擇性成型在墨粉基底上；進一步地，由液態金屬組成的導電圖案可作為圖章轉而被移印至各種凹凸的彈性三維表面上，從而最終構筑出所預期的三維柔性電路，步驟示意圖如圖2所示。這種方法中采用的導電墨水為兼具特定粘性和流動性的Cu-EGaIn，由于摻雜了銅，所制成的導電墨水具有較高的電導率。新方法實現了基于激光打印—液態金屬墨粉正向圖案化—三維表面移印的三步曲。

圖2. 基于乳液聚合墨粉/液態金屬的快速構筑三維柔性電路流程：（A）墨粉選擇性電路快速制備（i）液態金屬紙基LED陣列及（ii）液態金屬保形3D表面LED陣列；（B）各種液態金屬印制元素。 

  研究人員通過SPM考察墨粉基底與銅紙板基底的微觀表面形貌發現，兩種基底存在明顯的表面粗糙度差異，在圖3中，研究人員利用SEM和光學輪廓儀表征了墨粉和粘附了液態金屬的墨粉，并依測得的實驗數據，在微觀輪廓上對液態金屬的退浸潤行為進行了計算流體力學模擬。

圖3. 微觀輪廓表征和數值模擬。（A）銅版紙上寬度為150um的墨粉的SEM表征；（B）-（C）液態金屬選擇性粘附的SEM表征；（D）-（E）墨粉和液態金屬選擇性粘附的光學輪廓儀表征；（F）-（H）液態金屬在碳粉上選擇性成型的計算流體動力學（CFD）模擬，時間依次為0、300、600 us。

  研究人員對該方法制備的液態金屬電路進行了電性能和穩定性測試，發現該方法制備的電路在彎曲、拉伸、壓力測試中均具有良好的導電性和穩定性。利用該方法制備的液態金屬可拉伸LED電路、RFID電路具有較高的工作穩定性（圖4）。利用液態金屬的粘性，研究人員將選擇性成型電路轉移到了目標三維表面，快速構筑各種各樣的液態金屬三維柔性電路（圖5）。

圖4. 多重轉印實現快速構筑液態金屬可拉伸LED電路、RFID電路。

圖5. 多重轉印實現快速構筑液態金屬三維柔性LED電路柔性電路。

  該技術簡便快捷、成本低，整個過程在常溫下完成，無需借助復雜的電子制造裝備，所實現的電路展示出優異的導電性和機械耐久性，工作為利用常規激光打印技術規模化普及應用液態金屬柔性電子提供了廣闊空間。三維柔性電路的液態金屬多模式轉印方法的提出，打破了已有技術的應用和成本極限，可望在廣泛領域得到規模化普及應用，將大大助推液態金屬電子應用技術的普及化。論文發表在國際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces（10.1021/acsami.0c08931）上，文章共同第一作者為中科院理化所碩士生趙瑞琪及清華大學博士生國瑞，通訊作者為劉靜教授。

  以上研究得到國家自然科學重點基金、中國科學院院長基金及前沿項目等資助。相關成果分別發表在SCIENCE CHINA Materials (10.1007/s40843-018-9400-2),和ACS Applied Materials & Interfaces(10.1021/acsami.0c08931)上。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c08931

  https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-018-9400-2