近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授課題組報(bào)道了一種利用液滴表面張力來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性器件高精度、高成品率轉(zhuǎn)印的方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)薄膜器件復(fù)雜異形曲面的轉(zhuǎn)印集成。研究人員通過(guò)毛細(xì)管對(duì)液滴形態(tài)的控制，調(diào)控固-液界面的粘附力，從而實(shí)現(xiàn)柔性器件的轉(zhuǎn)印。這種方法不僅可以實(shí)現(xiàn)超薄柔性器件的轉(zhuǎn)印，還提供了一種基于平面工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異形曲面制備的新方法，為曲面柔性電子器件的制造提供了新的途徑，擴(kuò)展了轉(zhuǎn)印技術(shù)在柔性電子技術(shù)研究中的應(yīng)用。

圖1.液滴轉(zhuǎn)印流程示意圖

柔性電子器件是通過(guò)將功能薄膜集成到高分子聚合物柔性襯底上來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性和延展性的。由于柔性襯底無(wú)法為功能薄膜提供生長(zhǎng)和制備的環(huán)境，柔性電子器件的制備工藝必須增加一個(gè)重要的環(huán)節(jié)—轉(zhuǎn)印，即將功能薄膜從其生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體襯底上剝離、再印制到柔性承印襯底上。目前，學(xué)界已提出多種轉(zhuǎn)印技術(shù)，對(duì)于接觸式轉(zhuǎn)印方法，印章與器件表面緊密貼合，在拾取和印制過(guò)程中，過(guò)大的接觸應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致器件損壞，尤其發(fā)生在超薄和多層器件中；對(duì)于基于熱控制的轉(zhuǎn)印方法，工藝過(guò)程中柔性襯底容易發(fā)生熱膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致器件失效，無(wú)法進(jìn)行精密結(jié)構(gòu)的制備；對(duì)于以犧牲層為代表的非接觸方法，器件的制造需經(jīng)歷多次加熱，殘余應(yīng)力容易影響器件定位精度，難以實(shí)現(xiàn)精確的印制。

針對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)印技術(shù)中存在的問(wèn)題，研究人員結(jié)合接觸式和非接觸式轉(zhuǎn)印的特點(diǎn)，提出了一種基于表面張力的液滴轉(zhuǎn)印方法，利用液體的流變特性，通過(guò)毛細(xì)管對(duì)液滴形態(tài)的控制，調(diào)控固-液界面的粘附力，從而實(shí)現(xiàn)柔性器件的轉(zhuǎn)印，該方法減少了超薄柔性器件的轉(zhuǎn)印過(guò)程中印章對(duì)器件的損傷，同時(shí)也為曲面電子器件的制造提供了新的思路。

圖2.(a)傳統(tǒng)印章和液滴印章針對(duì)超薄LED芯片轉(zhuǎn)印集成的結(jié)果對(duì)比；(b)錐螺旋微天線與異形曲面的轉(zhuǎn)印集成

當(dāng)液體印章與待轉(zhuǎn)印器件/單元結(jié)合時(shí)，液滴對(duì)器件進(jìn)行包裹，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)器件的作用。相比于傳統(tǒng)彈性印章轉(zhuǎn)印方法，液體的流變特性充分發(fā)揮作用，使得薄膜器件更容易轉(zhuǎn)印到多種復(fù)雜的空間曲面上。通過(guò)對(duì)固-液界面粘附力的理論分析，提出了基于液滴印章的轉(zhuǎn)印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了柔性薄膜的高度精確可控轉(zhuǎn)印，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論模型的正確性與該轉(zhuǎn)印方法的可行性。研究人員通過(guò)液體印章轉(zhuǎn)印方法，成功實(shí)現(xiàn)了30微米超薄LED芯片的轉(zhuǎn)印集成（圖2a為傳統(tǒng)印章和液滴印章轉(zhuǎn)印對(duì)超薄LED芯片轉(zhuǎn)印結(jié)果的對(duì)比）與錐螺旋微天線與異形曲面的轉(zhuǎn)印集成（圖2b）。此方法利用了表面張力和毛細(xì)作用，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)印期間印章-薄膜作用力的精確調(diào)控，進(jìn)而能夠高效、高質(zhì)量地完成超薄器件的轉(zhuǎn)印；利用二維制備工藝和轉(zhuǎn)印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了立體空間微結(jié)構(gòu)和異形界面的集成，為曲面電子器件的設(shè)計(jì)與制備提供了一種新的方案。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士生劉鑫為文章第一作者，馬寅佶助理研究員、馮雪教授是論文共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

論文信息：

Liquid Droplet Stamp Transfer Printing

Xin Liu,Yu Cao,Kunwei Zheng,Yingchao Zhang,Zhouheng Wang,Yihao Chen,Ying Chen,Yinji Ma*,Xue Feng*

（來(lái)源：清華大學(xué)版權(quán)屬原作者謹(jǐn)致謝意）