自烧结液态金属墨水用于柔性电子

Self-sintering liquid metal ink with LAPONITE for flexible electronics.pdf

【背景】基于液态金属（LM）的柔性电子器件在软体机器人、自供能装置和电子皮肤等领域被广泛应用。然而，LM的巨大表面张力以及在空气中自发氧化形成的薄氧化层使液态金属制造图案化结构较为困难。不仅如此，常用的图案化策略由于LM的粘附力较弱，自局限于少数的几种基底材料。尽管纳米化可以促进LM在基板上的沉积和图案化，但是必须采用后续的机械或激光烧结操作来恢复其导电性，这限制了其应用场景。

我们提出了毛细自烧结方法-利用纳米颗粒之间的毛细力来烧结液态金属颗粒，设计了液态金属-纳米粘土构成的导电墨水，能够制造薄的导电图案（~10μm）。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry C期刊，题为“Self-sintering liquid metal ink with LAPONITE® for flexible electronics”，并被选为期刊封面（Front Cover）。武鹏程硕士生为第一作者，贺永教授为通讯作者。

期刊封面：纳米黏土烧结液态金属形成导电通路的过程（牛郎和织女的鹊桥相会比喻纳米颗粒间相互吸引形成的毛细自烧结效应）

       近二十年来，胶体自组装被广泛研究，并被认为是形成有序结构的一种理想且实用的方法，这为开发小型化的电子、光电和磁性器件提供了新的机遇。其中，由不可逆的溶剂蒸发诱导的纳米粒子自组装已被认为是极其简单且有前景的方法，其中包括自定向自组装，静电自组装等。我们在长期的实践中发现，在纳米黏土（Laponite）分散液蒸发的过程中会产生可观的毛细力，能够烧结液态金属的微/纳米颗粒。研究人员将液态金属在纳米黏土分散液中超声破碎至纳米颗粒，制备得到液态金属-Laponite（LML）墨水，然后将墨水滴加在事先准备的线框内，待溶剂蒸发完全后，可以获得厚度~10μm的导电图案，如图1所示。而且这种墨水表现出很好的基底适应性，在玻璃、PI膜、树叶、塑料培养皿中都可以烧结形成导电图案。我们还对纳米黏土分散液的后烧结性质做了进一步的探索，如图2所示。

图1  液态金属-Laponite（LML）墨水的制备方法和烧结机理

图2  纳米黏土分散液后烧结液态金属颗粒

       随后，我们基于烧结过程中的液桥现象和表面张力构建了烧结机理的理论模型，并通过合理的计算验证了模型的可行性。

图3 烧结机理示意图

同时，我们也系统地研究了液态金属- Laponite墨水的电气性能，结果表明该墨水具有高导电性、强耐受性等优点，同时能够与柔性基底形成可靠的连接，并能够很好地抵抗机械破坏。

图4 电气性能和耐受性表征

       为了展现液态金属-Laponite墨水的应用潜力，我们使用开发的PCL挤出打印工艺和设备成功打印了NFC线框，并结合LML墨水制备NFC标签。同时，利用液态金属-Laponite墨水良好的基底适应性，在树叶上和丁晴手套上做了一些有趣的电路。其中，直接在丁晴手套上滴加LML墨水可以快速制备感知手指弯曲程度的数据手套。这些应用展现了液态金属-Laponit墨水在柔性电子领域出色的应用潜力。

图5 NFC标签与树叶电路制备

图6 在丁晴手套上烧结制造应变传感器

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/tc/d0tc06044e