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基于表面張力和毛細(xì)力的液滴轉(zhuǎn)印方法
來源：清華大學(xué) 瀏覽 2114 次 發(fā)布時(shí)間:2021-11-08
近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授課題組報(bào)道了一種利用液滴表面張力來實(shí)現(xiàn)柔性器件高精度、高成品率轉(zhuǎn)印的方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)薄膜器件復(fù)雜異形曲面的轉(zhuǎn)印集成。研究人員通過毛細(xì)管對液滴形態(tài)的控制，調(diào)控固-液界面的粘附力，從而實(shí)現(xiàn)柔性器件的轉(zhuǎn)印。這種方法不僅可以實(shí)現(xiàn)超薄柔性器件的轉(zhuǎn)印，還提供了一種基于平面工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異形曲面制備的新方法，為曲面柔性電子器件的制造提供了新的途徑，擴(kuò)展了轉(zhuǎn)印技術(shù)在柔性電子技術(shù)研究中的應(yīng)用。
圖1.液滴轉(zhuǎn)印流程示意圖
柔性電子器件是通過將功能薄膜集成到高分子聚合物柔性襯底上來實(shí)現(xiàn)柔性和延展性的。由于柔性襯底無法為功能薄膜提供生長和制備的環(huán)境，柔性電子器件的制備工藝必須增加一個(gè)重要的環(huán)節(jié)—轉(zhuǎn)印，即將功能薄膜從其生長的無機(jī)半導(dǎo)體襯底上剝離、再印制到柔性承印襯底上。目前，學(xué)界已提出多種轉(zhuǎn)印技術(shù)，對于接觸式轉(zhuǎn)印方法，印章與器件表面緊密貼合，在拾取和印制過程中，過大的接觸應(yīng)力會導(dǎo)致器件損壞，尤其發(fā)生在超薄和多層器件中；對于基于熱控制的轉(zhuǎn)印方法，工藝過程中柔性襯底容易發(fā)生熱膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致器件失效，無法進(jìn)行精密結(jié)構(gòu)的制備；對于以犧牲層為代表的非接觸方法，器件的制造需經(jīng)歷多次加熱，殘余應(yīng)力容易影響器件定位精度，難以實(shí)現(xiàn)精確的印制。
針對當(dāng)前轉(zhuǎn)印技術(shù)中存在的問題，研究人員結(jié)合接觸式和非接觸式轉(zhuǎn)印的特點(diǎn)，提出了一種基于表面張力的液滴轉(zhuǎn)印方法，利用液體的流變特性，通過毛細(xì)管對液滴形態(tài)的控制，調(diào)控固-液界面的粘附力，從而實(shí)現(xiàn)柔性器件的轉(zhuǎn)印，該方法減少了超薄柔性器件的轉(zhuǎn)印過程中印章對器件的損傷，同時(shí)也為曲面電子器件的制造提供了新的思路。
圖2.(a)傳統(tǒng)印章和液滴印章針對超薄LED芯片轉(zhuǎn)印集成的結(jié)果對比；(b)錐螺旋微天線與異形曲面的轉(zhuǎn)印集成
當(dāng)液體印章與待轉(zhuǎn)印器件/單元結(jié)合時(shí)，液滴對器件進(jìn)行包裹，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)器件的作用。相比于傳統(tǒng)彈性印章轉(zhuǎn)印方法，液體的流變特性充分發(fā)揮作用，使得薄膜器件更容易轉(zhuǎn)印到多種復(fù)雜的空間曲面上。通過對固-液界面粘附力的理論分析，提出了基于液滴印章的轉(zhuǎn)印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了柔性薄膜的高度精確可控轉(zhuǎn)印，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論模型的正確性與該轉(zhuǎn)印方法的可行性。研究人員通過液體印章轉(zhuǎn)印方法，成功實(shí)現(xiàn)了30微米超薄LED芯片的轉(zhuǎn)印集成（圖2a為傳統(tǒng)印章和液滴印章轉(zhuǎn)印對超薄LED芯片轉(zhuǎn)印結(jié)果的對比）與錐螺旋微天線與異形曲面的轉(zhuǎn)印集成（圖2b）。此方法利用了表面張力和毛細(xì)作用，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)印期間印章-薄膜作用力的精確調(diào)控，進(jìn)而能夠高效、高質(zhì)量地完成超薄器件的轉(zhuǎn)?。焕枚S制備工藝和轉(zhuǎn)印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體空間微結(jié)構(gòu)和異形界面的集成，為曲面電子器件的設(shè)計(jì)與制備提供了一種新的方案。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士生劉鑫為文章第一作者，馬寅佶助理研究員、馮雪教授是論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
論文信息：
Liquid Droplet Stamp Transfer Printing
Xin Liu,Yu Cao,Kunwei Zheng,Yingchao Zhang,Zhouheng Wang,Yihao Chen,Ying Chen,Yinji Ma*,Xue Feng*
（來源：清華大學(xué)版權(quán)屬原作者謹(jǐn)致謝意）