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基于表面張力和毛細(xì)力的液滴轉(zhuǎn)印方法

來(lái)源:清華大學(xué) 瀏覽 969 次 發(fā)布時(shí)間:2021-11-08

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,在拾取和印制過程中,過大的接觸應(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)