功能電子器件或系統(tǒng)多呈三維立體結(jié)構(gòu)，其組成單元則由各種金屬或非金屬特別是電子材料構(gòu)筑而成，以增材制造手段直接層疊打印出終端立體電子一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界著力追求的核心目標。眾所周知，傳統(tǒng)的3D打印主要基于塑料、聚合物一類的材料，由此打印出的物件一般并不具備電子功能；而經(jīng)典的金屬3D打印針對的是高熔點金屬粉末或線材，它們與非金屬材料由于存在巨大熔點差而難以實現(xiàn)復(fù)合打印。近年來發(fā)展起來的液態(tài)金屬印刷電子學(xué)在立體電路制造上展示出很有希望的前景。

與生活中常見的固態(tài)金屬材料不同，液態(tài)金屬是一類低熔點的合金材料，可以在室溫環(huán)境中保持液體形態(tài)。近年來，以低熔點金屬鎵為基礎(chǔ)的室溫液態(tài)金屬合金材料逐漸進入人們的視野，在柔性電子、二維材料制備、智能機器等領(lǐng)域都得到廣泛的研究和應(yīng)用。其中，液態(tài)金屬材料以其獨特的性能在三維立體電路制備中顯示出巨大的應(yīng)用前景。然而目前大多數(shù)研究采用流道灌注的方式，將液態(tài)金屬封裝在三維模型中。在這些研究中，液態(tài)金屬僅充當導(dǎo)電介質(zhì)，無法展示出液態(tài)金屬獨特的界面性能在三維立體電路中的應(yīng)用價值。

近日，來自清華大學(xué)的劉靜教授團隊將3D打印技術(shù)與液態(tài)金屬功能材料結(jié)合，開發(fā)出一種基于液態(tài)金屬選擇粘附性的3D電路轉(zhuǎn)印技術(shù)。在這項研究中，研究人員首先利用3D打印工藝制作出一系列的復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)，并在立體結(jié)構(gòu)表面覆蓋對液態(tài)金屬材料具有較高粘附性的高分子涂層；之后將立體結(jié)構(gòu)浸潤到液態(tài)金屬中，實現(xiàn)液態(tài)金屬在立體結(jié)構(gòu)表面的附著，如圖1所示。

圖1 在立體結(jié)構(gòu)表面粘附液態(tài)金屬涂層的工藝流程以及附著液態(tài)金屬涂層的多種復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)

此外，該研究發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬鎵銦合金在室溫下因受重力影響，難以穩(wěn)定地附著在立體結(jié)構(gòu)的表面。因此，研究人員事先對鎵銦合金進行氧化處理，使其黏附性大大提升而流動性顯著降低，從而可在立體結(jié)構(gòu)表面維持一定的穩(wěn)定性，如圖2所示。

圖2 液態(tài)金屬材料的氧化處理和其較低的流動性

3D打印工藝制作的立體結(jié)構(gòu)是由顆粒熔融堆積而成，因此具有粗糙的表面形貌。該研究發(fā)現(xiàn)這種粗糙的界面使得液態(tài)金屬難以附著，因而需要事先覆蓋一層對液態(tài)金屬材料具有較高粘附性的高分子涂層，如圖3所示。

圖3 高分子涂層修飾前后的立體結(jié)構(gòu)具有顯著的界面形貌差異，導(dǎo)致液態(tài)金屬選擇性地粘附在高分子涂層區(qū)域。

基于上述原理，研究人員將高分子涂層覆蓋在立體結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域，利用液態(tài)金屬在不同界面上的選擇粘附性，可實現(xiàn)立體電路的轉(zhuǎn)印制備，如圖4所示。

圖4 在立體結(jié)構(gòu)表面轉(zhuǎn)印的3D電路

不同于將液態(tài)金屬封裝在立體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的方式，附著在立體結(jié)構(gòu)表面的液態(tài)金屬涂層還可以與周圍的液態(tài)金屬涂層形成液橋，實現(xiàn)金屬焊接的效果。利用這種現(xiàn)象，研究人員將相同尺寸的立體結(jié)構(gòu)單元進行堆積組合，從而構(gòu)建出更加復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)。此外，單元之間的液態(tài)金屬涂層可形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通路，從而實現(xiàn)可組裝的立體電路，如圖5所示。

圖5 球形和立方體形的液態(tài)金屬立體電路的堆積組裝

此外，研究人員還將液態(tài)金屬涂層覆蓋在柔性硅膠結(jié)構(gòu)表面，利用液態(tài)金屬材料在不同溫度下的相變特性，實現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)可調(diào)控的力學(xué)性能，如圖6所示。最后，研究人員使用該技術(shù)將液態(tài)金屬涂層粘附在多種材料表面，如圖7所示。

圖6 覆蓋液態(tài)金屬涂層的立體結(jié)構(gòu)在不同溫度下的可調(diào)控力學(xué)性能

圖7 液態(tài)金屬涂層在多種材料表面的粘附

該成果以“Spatially selective adhesion enabled transfer printing of liquid metal for 3D electronic circuits “為題發(fā)表在國際期刊Applied Materials Today，相應(yīng)探索為三維立體功能電子器件的快速制造開辟了一條重要而易于規(guī)模化普及的實用技術(shù)。清華大學(xué)博士國瑞為第一作者，通訊作者為清華大學(xué)劉靜教授。