液体金属高分辨率打印系统简图与部分打印成型的微电路图案。
直接打印与重置打印后的电触点。
液态金属的三维重构可显著提升电子设备的集成性。
phys.org网站6月27日报道，韩国纳米科学研究人员Young-Geun Park等开发了一种突破传统的3D打印技术。研究人员可以利用该技术设计高分辨率、可重构的3D打印方案，从而制造基于液态金属的可伸缩3D结构。Park等通过多次重置，生成了超薄氧化物界面，并能在环境条件下保持材料的电性能和封装独立的功能。在演示实验中，Park等展示了可重构天线的应用情况。独立的三维结构有利于减少相互连接的数量，节约内部空间，从而实现更高的集成度。相关研究成果刊登于《科学进展》等杂志中。
三维导电结构的高分辨率、高纵横比和低误差是提高设备集成性的关键。而设备的形变性是自由形状电子产品需要考虑的重要因素。例如可穿戴产品和柔性机器人等电子设备需要具备灵活的构象或柔软的表面。硅系传统材料的脆性较高，不能满足可伸缩器件的需求。为此，材料科学家们开发了金属网络、弹性复合材料等多种可伸缩导电材料。然而，这类材料又无法形成三维结构。此外，基于3D打印和热退火金属相对较高的刚性也容易对软质衬底造成损伤。
液态金属，如共晶镓铟合金（EGaIn）或铟锡合金（Galinstan）等可拉伸性较好、毒性和挥发性较低、电导率较好。在室温下，直接“喷墨”打印即可通过堆叠液态金属液滴形成独立的三维结构。但用这种方法制造的产品分辨率较低，不适合用于电子设备。因此，Park等提出用高分辨率液态金属打印技术替代现有技术。该方法可以在环境条件下直接将液滴重置为三维电极图案。Park等以EGaIn（两者质量比为75.5/24.5）作为“油墨”，通过控制喷嘴尖端与聚合物基体之间的距离，在扫描电镜帮助下打印了高分辨率的互连电路。
在直接打印EGaIn后，Park等抬起喷嘴尖端，重新定位至基片的期望位置继续打印。重置过程并不会破坏结构，研究人员甚至能从基底上垂直取出预印的丝极。为了验证EGaIn作为互连体的适应性，Park等随后还进行了电气击穿实验。在电气击穿实验中，实验装置温度过高一般会影响EGaIn三维结构的机械稳定性。但重置EGaIn结构体的独立三维结构在5000摄氏度高温考验下仍旧维持了近30分钟。
Park等还展示了一种可重构天线的实验情况。研究人员可以通过改变这种天线的几何形状来改变其共振频率和辐射特性。Park等首先通过直接打印制造了EGaIn双线圈天线结构，然后再经重构过程制造了三维桥接互连体。该结构可以选择性地操作3种不同的二极管发出红、绿、蓝光。值得注意的是，互连体在反复的断开和接通过程中，电阻不会发生变化，能够在3V电压下可靠操控二极管。
重构过程有利于在二维平面构建交叉几何图形，从而避免了多层结构导致的非必要电接触。为此，Park等演示了EGaIn在柔性聚合物薄膜表面的4×4阵列互连。研究人员预测，高分辨率三维重构方法有望为下一代高度集成的可伸缩电子设备的制造提供新思路。
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：三水
责编：唐林芳
期刊来源：《科学》、《自然》、《科学进展》
期刊编号：0036-8075、0028-0836、2375-2548
原文链接：
https://phys.org/news/2019-06-liquid-metals-three-dimensional.html
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