近年来，对于可穿戴电子设备的需求激发了新型电子功能材料和可拉伸集成技术的发展，相较于传统的电子器件，可穿戴器件更注重柔性可拉伸的机械性能，从而将各种传感、刺激和显示等功能与人体实现无缝集成，在生命健康、人机交互、消费电子和军事领域都有广阔的应用前景。可拉伸电子对材料性质和加工集成工艺提出了更高的要求，其中可拉伸导体是构建具有优异形变能力器件的核心材料。液态金属Galinstan（Ga，In，Sn的共晶合金）在室温下处于熔化态而具有液体的流动性，同时具有金属材料的高电导率，成为了可拉伸电子器件和系统的理想选择。柔性及可拉伸功能器件的关键步骤是将液态金属图案化，尤其在柔性印刷电子领域，通常在弹性基底上将液态金属线路化并集成相应的电子元件，以获得具有拉伸性能的集成电路，实现器件由刚性到柔性的转变。
近日，南京大学现代工程与应用科学学院的孔德圣教授团队发展了一种基于液相工艺的液态金属图案化加工方法，具有成本低廉、可规模化制备的特点，其加工精度可达100μm，在柔性及可穿戴电子领域有着广阔的应用前景。研究成果以“Fully solution processed liquid metal features as highly conductive and ultrastretchable conductors”为题发表于 npj Flexible Electronics上。
为了实现液态金属在柔性高分子基底上精细的图案化构建，需要在基底上建立液态金属的选择性润湿区域。该团队首先在弹性基底表面修饰了聚多巴胺（PDA）涂层，该涂层为后续的金属沉积提供了还原官能团（邻苯二酚基团）和黏附力。之后通过银离子活化、铜化学沉积等过程在弹性体上制备出金属镀层，最后利用液态金属对铜的润湿性，实现液态金属的选择性涂敷。加工的图案则是通过丝网印刷掩膜实现，掩膜在制备PDA层后作为牺牲层洗去，从而在弹性基底上实现高精度图案化修饰和液态金属涂敷。图1a表示该工艺的流程示意图，一些关键步骤对应的功能涂层的形貌则由图1b的显微镜照片展示。
图1. (a) 制备液态金属图案的流程示意图。(b) 在四种不同的弹性基底上制备的液态金属图案（比例尺：1 mm）。
根据该团队的研究，这种加工工艺的实现不限定于特定的某种基底，可以拓展到多种不同类型的弹性体上。相比其他依赖基底特殊的表面性质和加工参数的加工方案，这项工作具有更好的普适性，其原因在于PDA涂层可以对几乎任意基底进行修饰，为金属在不同基底上生长创造了相似的表面环境，保证后续过程的同一性。最终在不同基底上制备的铜涂层，对于液态金属具有几乎相同的润湿能力（接触角在9°~11°之间），良好的润湿性为液态金属的选择性涂敷提供了保障（图2a）。这一研究成果帮助该团队可以在标准化流程下，对不同类型、性能的基底进行复杂的液态金属图案加工（图2b）。
图2. (a) 液态金属对铜的润湿角（比例尺：1 mm）。(b) 在不同基底上制备的液态金属图案（比例尺：2 cm）。
液相加工的液态金属线路具有超高的电导率（4.15× 10 4 S cm -1）和优异的拉伸性能，在100%应变下，电阻仅增长1.5倍，在500%的应变下，电阻仅增长15倍，并且最高可以实现1000%的应变（图3a）。所制备的液态金属线路在300%应变下进行1000次的循环拉伸测试，电阻变化仍然保持稳定（图3b），展现了其突出的耐机械疲劳特性。同时，液态金属线路即使长期放置于空气中，其电导率也不会有明显变化（图3c）。这些特性表明液相加工的液态金属可用于可拉伸电子器件的制备。在弹性体基底上，利用液态金属作为导线将LED芯片进行阵列化集成，制备了一个可拉伸LED阵列（如图3d所示），可以实现大形变量的双轴拉伸，从而可作为固态光源与身体贴合而实现无缝集成（图3e）。
图3. （a）液态金属电阻与应变的关系。（b）液态金属的电阻在1000个循环下的变化（0%~300%应变）。（c）液态金属的电阻随存储时间的变化。（d）LED阵列双轴拉伸前后对比。（e）可穿戴LED照明设备。
小结：在这项工作中，该团队建立了一种在弹性基底上制备精细液态金属图案的全液相加工方法，并证实了其具有优异的导电性、高达1000%的拉伸性以及循环稳定性，制备的可拉伸LED阵列实现了液态金属导体与元件在弹性基体上的集成。该方法无需昂贵的微加工设备，对于不同的弹性基底都具有很好的兼容性，有望用于各类可拉伸电子器件的设计与加工。
来源：高分子科学前沿
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