新技术在室温下打印金属氧化物薄膜电路

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研究人员展示了一种在室温下打印薄金属氧化物薄膜的技术，并利用该技术创建了既坚固又能在高温下工作的透明柔性电路。
这篇题为《超薄透明柔性电路板的原生氧化物环境印刷》的论文于8 月 15 日发表在《科学》杂志上。
“制造用于电子产品的金属氧化物传统上需要使用速度慢、价格昂贵且在高温下运行的专门设备，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学卡米尔和亨利德雷福斯化学和生物分子工程教授迈克​​尔迪基 (Michael Dickey) 说。
“我们希望开发一种在室温下创建和沉积金属氧化物薄膜的技术，本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含有的重要材料。大多数金属氧化物都是电绝缘的（如玻璃）。但有些金属氧化物既导电又透明，这些氧化物对于智能手机的触摸屏或电脑的显示器至关重要。
“原则上，金属氧化膜应该很容易制造，”迪基说。“毕竟，它们自然地形成在我们家里几乎所有金属物体的表面——汽水罐、不锈钢锅和叉子。虽然这些氧化物无处不在，但它们的用途有限，因为它们无法从它们所形成的金属上去除。”
为了开展这项工作，研究人员开发了一种新方法，可以将金属氧化物从液态金属弯月面中分离出来。如果你用液体填充一根管子，弯月面就是液体延伸到管子末端以外的弯曲表面。
弯月面之所以弯曲，是因为表面张力会阻止液体完全溢出。对于液态金属而言，弯月面的表面覆盖着一层薄薄的金属氧化物皮，该皮是在液态金属与空气接触的地方形成的。
迪基说：“我们用液态金属填充两块玻璃片之间的空间，这样小的弯月面就会延伸到玻璃片的末端。”
“将载玻片想象成打印机，液态金属就是墨水。然后，液态金属的弯月面就可以与表面接触。弯月面四周覆盖着氧化物，类似于包裹水气球的薄橡胶。
“当我们将弯月面在表面上移动时，弯月面正面和背面的金属氧化物会粘附在表面上并剥落，就像蜗牛留下的痕迹一样。当这种情况发生时，弯月面上暴露的液体不断形成新的氧化物，从而实现连续打印。”
结果是打印机覆盖了一层厚度约为 4 纳米的两层金属氧化物薄膜。
“需要注意的是，尽管我们使用液体，但沉积在基板上的金属氧化物膜是固体，而且非常薄，”迪基说。“薄膜粘附在基板上——不会被弄脏或弄脏。这对于印刷电路来说很重要。”
研究人员利用多种液态金属和金属合金演示了这项技术，每种金属都会改变金属氧化物膜的成分。研究人员还能够通过多次使用打印机来堆叠多层薄膜。
“我们发现令人惊奇的事情之一是，印刷出来的薄膜是透明的，但却具有金属特性，”迪基说，“它们的导电性极佳。”
“由于这些薄膜具有金属特性，金会与印刷的氧化物结合，这是不寻常的——金通常不会粘附在氧化物上，”该论文的共同通讯作者、浦项科技大学（POSTECH）材料科学与工程教授 Unyong Jeong 说道。
“当你将少量的金引入这些薄膜时，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下降。”
Jeong 说道：“我们认为这些薄膜具有如此强的导电性，是因为双层薄膜的中心含有极少量的氧，它更具金属性，而氧化物较少。”
“没有金的存在，随着时间的推移，更多的氧气会进入分层薄膜的中心，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，因为我们使用的金很少——氧化物薄膜仍然高度透明。”
此外，研究人员还发现，这些薄膜在高温下仍能保持导电性能。如果薄膜厚度为 4 纳米，则其导电性能可保持至近 600 摄氏度。如果薄膜厚度为 12 纳米，则其导电性能可保持至至少 800 摄氏度。
研究人员还通过将金属氧化物印刷到聚合物上展示了其技术的实用性，创建了高度灵活的电路，这些电路足够坚固，即使折叠 40,000 次后也能保持其完整性。
“这些薄膜还可以转移到其他表面，比如​​树叶，以便在非常规的地方制造电子产品，”迪基说。“我们保留了这项技术的知识产权，并愿意与行业合作伙伴合作探索潜在的应用。”
更多信息： Minsik Kong 等人，用于超薄透明柔性电路板的天然氧化物环境印刷，Science (2024)。DOI ：10.1126/science.adp3299。www.science.org/doi/10.1126/ science.adp3299
期刊信息： Science