新材料创新，科学家实现室温下超薄、透明柔性电路的大面积印刷！

【科学背景】

金属氧化物薄膜是大多数电子设备中的关键材料，因其在透明导体、气体传感器、半导体、绝缘体和钝化层等应用中的重要性而成为了研究热点。然而，传统的金属氧化物薄膜制备方法通常需要高温和缓慢的真空工艺，这在实际应用中存在制备成本高、生产效率低的问题。此外，传统方法往往会在膜表面留下液体残留物或形成不均匀的薄膜，这对器件的性能和稳定性造成了挑战。

为了解决这些问题，美国北卡罗来纳州立大学Michael Dickey教授联合韩国浦项科技大学Unyong Jeong教授合作提出了一种新的方法，通过在室温下利用熔融金属的弯月面在基底上进行打印，来制备大面积均匀的本征氧化物薄膜。该方法利用液体不稳定性使氧化物从金属中轻柔地分离，从而形成无液体残留的均匀薄膜。

此外，打印的氧化物薄膜具有金属间层，使其导电性显著提高，并且能够与蒸发的金形成良好的润湿，克服了传统方法中金属岛屿的粘附性差的问题。最终，这种超薄（<10纳米）的导体薄膜能够被制成柔性电路，具有透明性、机械强度和电气稳定性，即使在高温条件下也能保持优异的性能。

【科学亮点】

1. 实验首次利用熔融金属的脱湿行为在室温下大面积连续打印了超薄（<10纳米）的本征氧化物薄膜。通过在目标基底上移动充满液态金属的打印头，氧化物通过弯月面的液体不稳定性从金属中轻柔地分离，形成均匀的薄膜，且无液体残留。

2. 实验通过在氧化物薄膜上蒸发微量金属（如Au或Cu），实现了氧化物导电性的稳定。由于刚打印的氧化物具有金属特性，蒸发金属能够有效润湿薄膜，并且与薄膜良好结合，避免了传统氧化物表面形成不连续的金属岛屿。

【科学图文】

图1：  使用液态金属的原生氧化物打印工艺。

图2：印刷过程的机理和印刷条件。

图3：用于超薄透明柔性电路板的原生氧化物环境印刷。

图4: 超薄透明电极表征。

图5: 图案化超薄透明电路线演示。

【科学启迪】

这项工作展示了一种可靠且连续的方法，可以在室温条件下利用镓液态金属（Ga LM）的脱湿行为打印大面积且均匀的超薄（<10 nm）本征氧化物薄膜。这种脱湿诱导的氧化物印刷技术也可以通过改变液态金属的组成来打印铝氧化物（AlOx）和铟氧化物（InOx）。我们的研究发现，刚打印的GaOx具有高导电性，但由于进一步氧化，导电性会逐渐降低为绝缘性。

然而，通过在氧化物薄膜上蒸发少量的次级金属（Au或Cu），可以稳定氧化物的导电性。由于刚打印的GaOx具有金属特性，蒸发的金属容易“润湿”薄膜，导致其融入到薄膜中。这些金属装饰的氧化物薄膜具有高度的透明性，且电导率、热学和机械稳定性都很优秀。在室温下跨大面积打印如此薄且耐用的氧化物和导体，应该对创建透明导体、电路以及其他柔性电子器件，以及屏障涂层（20）、光电材料和忆阻器等应用具有重要意义。

参考文献：Minsik Kong et al. ,Ambient printing of native oxides for ultrathin transparent flexible circuit boards.Science385,731-737(2024).DOI:10.1126/science.adp3299