半导体情报，科学家揭秘高性能无损伤柔性器件转移新技术！

【科学背景】

随着软电子学和可拉伸设备领域的迅速发展，高性能电子器件在实现柔性和可拉伸性方面取得了显著进展。这些技术的推动不仅革新了传统电子学和光电子学，还在生物电子学和能源设备等多个研究领域展示了巨大潜力。然而，现有的制造技术面临着诸多挑战，例如有毒化学品的使用安全问题、昂贵的设备要求、转移过程中薄膜损伤的风险以及高温处理对设备可用性的限制。

转移印刷技术允许将在刚性基板上制造的高质量材料转移到柔性或可拉伸的目标基板上。这种方法极大地推动了柔性电子器件的发展，使得可以制造出具有超薄、轻量、机械可变形性和高性能的设备，包括皮肤可穿戴设备、植入式医疗设备以及各种三维形状或可变形的电子器件。

然而，传统的转移印刷过程存在一些严重问题。主要问题包括对薄膜材料可能造成化学损伤的湿法蚀刻步骤，以及在微图案化薄膜情况下可能导致的薄膜机械断裂。此外，许多方法虽然被提出来解决这些问题，但仍然面临着实际应用中的限制，如设备复杂性、成本高昂和操作复杂性。

为解决上述问题，韩国浦项基础科学研究所Dae-Hyeong Kim & Sangkyu Lee以及釜山大学Ji Hoon Kim等教授携手提出了一种创新的干式转移印刷策略，基于应力控制的方法。他们通过直流磁控溅射技术，在沉积金属双层薄膜时精确控制应力的生成和分布。随后，通过施加机械弯曲变形，额外的拉伸应力被引入到薄膜中，使得薄膜能够可靠地从母基板上释放。这一过程中，薄膜的应变能释放速率被精确控制，超过了薄膜与基板之间的界面韧性，从而有效实现了薄膜的无损干式转移。

【科学亮点】

（1）实验首次提出了一种无损伤干式转移印刷策略，基于应力控制的金属双层薄膜沉积技术。通过直流磁控溅射技术，在沉积过程中控制金属双层薄膜的应力分布，从而实现了高质量薄膜的制备和转移。

（2）实验通过调节溅射参数和施加机械弯曲，成功控制了薄膜内部的应力分布，使得薄膜在施加外向弯曲变形后能够可靠地从母基板上剥离。这一过程中，通过增加总应力，成功实现了薄膜与基板之间的可靠分离，避免了传统湿法蚀刻过程中可能导致的化学损伤和薄膜损伤问题。

（3）实验结果表明，这种干式转移印刷策略不仅可以将金属薄膜成功转移至柔性或可拉伸的基板上，还可以应用于高温处理的氧化物薄膜。这为制造二维柔性电子器件和三维多功能体系结构（如流量传感器、离子浓度传感器、温度传感器和薄膜电池）提供了有效的方法和技术支持。

【科学图文】

图1：基于应力工程，无损伤干式转印的概念。

图2. 铂Pt薄膜的应力工程。

图3. 各种2D Pt薄膜的转移及其向3D结构的转换。

图 4. 具有2D/3D混合结构的集成传感器阵列演示。

图 5. 具有转移LiCoO2薄膜的柔性薄膜电池TFB制造。

【科学结论】

以上文章展示了一种基于应力工程的创新干式转移印刷技术，为制备高质量薄膜提供了重要价值。通过精确调控直流磁控溅射参数，实现了双层结构中的应力水平和梯度的控制，进而在转移印刷过程中应用外向弯曲变形，使得薄膜能够有效剥离而不损伤。这一方法不仅成功地解决了传统湿法蚀刻可能引起的化学损伤和机械损伤问题，还克服了高温处理条件下的挑战，为柔性和可拉伸基板上的高性能电子器件制造提供了新的技术途径。科学启迪的关键在于通过物理机制的精细控制，如应力管理和能量释放率的优化，实现了薄膜与基板之间可靠的分离，从而推动了转移印刷技术的进步。此外，这种技术的应用前景广泛，不仅限于二维柔性/可拉伸设备，还包括复杂的三维多功能体系结构，涵盖了电子学、光电子学、生物电子学和能源收集等多个领域。因此，该研究不仅为实现新型电子器件的制造提供了实用性解决方案，还为未来柔性电子技术的发展奠定了坚实的基础。

原文详情：Shin, Y., Hong, S., Hur, Y.C. et al. Damage-free dry transfer method using stress engineering for high-performance flexible two- and three-dimensional electronics. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01931-y