浙大新型转印技术解决柔性电子损伤难题！

【研究背景】

微电子转印技术是一种关键的异质集成技术，因其能够实现非传统布局和高性能电子系统的制造而广泛应用于可穿戴设备、柔性电子、生物传感器等领域。与传统的硬质电子材料相比，柔性电子材料具有优异的机械柔韧性和可变形性，能够贴合复杂曲面的应用场景。然而，传统转印技术中常用的弹性印章（如聚二甲基硅氧烷PDMS），虽然能够有效控制黏附力，但在处理脆弱的无机超薄膜时，往往会由于接触应力过大导致薄膜出现破裂或褶皱等问题，从而带来了精确传输和膜损坏的挑战。

近日，来自浙江大学宋吉舟教授课题组在柔性电子器件的微纳膜转印技术研究中取得了新进展。该团队设计了一种基于局部熔融镓（Ga）印章的精准诱导局部熔融技术（PLMT）。通过激光或加热板的局部加热方式，该技术可以精确控制固态镓的局部熔融，利用镓液态时的流动性和优异的形变适应能力，实现对脆弱超薄膜的无损拾取与转印。

与传统的完全熔融液态金属印章相比，该方法在维持印章结构完整性的同时，显著提高了转印的精度和操作的可靠性，减少了多余液态镓的残留。利用这种方法，该团队成功转印了微纳功能膜，显著提升了转印过程中的性能稳定性和精确度。这一策略为高性能柔性电子器件的发展提供了新的技术路径，进一步丰富了异质集成领域的应用能力。

【表征解读】

本文通过INSTRON机械测试系统测量了金属镓印章和PDMS印章在硅薄膜上的预载力和粘附力。这一表征手段揭示了印章与硅薄膜之间的相互作用，为后续微纳米薄膜的打印提供了基础数据。在测试过程中，以30μm/s的速度接触硅薄膜，并以300μm/s的速度进行撤回，从而精准记录了预载力和粘附力。这一结果对理解不同材料在印刷过程中的附着机制至关重要。

针对液态金属（LM）滴制备过程，本文利用注射器进行液态镓的抽取，精确控制了液滴的体积和形状，进而分析了液态金属在PLMT过程中的流动特性。通过对不同直径注射器和针头的实验，得到了不同高度液滴的形成规律，为进一步优化打印工艺提供了指导。

在激光瞬态加热过程中，本文使用近红外激光系统进行局部加热，通过测量加热前后固体镓印章的厚度变化，推算出液化镓的厚度约为90μm。这一微观机理表征深入揭示了固态镓在热场影响下的相变行为，为后续的微纳米印刷技术奠定了理论基础。

此外，针对金属镓印章的相变过程，本文利用非接触式温度场检测技术，观察到固态镓在30°C以上开始融化，并在86.2°C完全熔化。通过激光系统的加热，固态镓在局部温度达到63.9°C时先行融化，从而促进了有效的回撤，避免了液态金属滴落的风险。该发现为高效液态金属印章的回收利用提供了新的视角。

在硅纳米膜阵列的制备过程中，采用了带有600nm厚单晶硅的SOI晶圆，经过紫外光刻和ICP刻蚀等步骤，成功制备出69×69阵列的硅方块。这一过程中，通过表征氦气冷却和氟化硫气氛下的刻蚀效果，深入理解了硅膜的结构特性，为后续的薄膜打印奠定了坚实基础。

本文还对超薄硅薄膜在不同接收体上的粘附机制进行了研究。通过分析不同材料（如聚酰亚胺、硅、玻璃和铜）的哈梅克常数，计算得到了其最大吸引力。结果显示，在弱粘附力下，液态金属的印刷过程显著优于传统方法，推动了柔性传感器阵列的进一步发展。

最后，在柔性传感器阵列的制备中，本文通过聚酰亚胺前驱体的涂覆和光刻工艺，实现了电阻传感器的结构化。这一过程强调了对金属层的封装设计，以避免液态金属对金属互连的影响。经过一系列表征手段的深入分析，本文不仅揭示了液态金属和超薄硅膜的相互作用机理，还推动了新材料的制备和应用。

PLMT拾取和印刷过程的示意图

参考文献：Shi, C., Jiang, J., Li, C. et al. Precision-induced localized molten liquid metal stamps for damage-free transfer printing of ultrathin membranes and 3D objects. Nat Commun 15, 8839 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53184-7