Nature Materials：解锁柔性电子器件制造新突破！
米测MeLab
2024-07-11
研究背景
随着软电子学、光电子学、生物电子学和能源设备等领域的快速发展，高性能柔性和可拉伸设备成为了研究的热点。这些设备通常具有超薄、轻质和机械可变形的特性，适合于不同的应用场景，如皮肤贴合设备、植入式医疗器械以及多功能三维形状的电子设备。然而，这些高性能设备的制造过程面临多重挑战。其中一个关键问题是，许多高质量的电子材料（如晶体结构和精确的电学性质控制）通常需要在高温条件下合成或加工。这限制了它们在柔性或可拉伸基板上的直接应用，因为这些基板无法承受高温处理的影响。传统的转移印刷技术虽然能够将这些高质量材料从刚性母基板转移到软性目标基板上，但却存在着化学损伤、薄膜损伤以及在高温处理过程中的困难等问题。因此，迫切需要一种新的转移印刷过程，以克服这些障碍并实现高性能柔性电子器件的商业化应用。针对这一问题，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等教授携手在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Damage-free dry transfer method using stress engineering for high-performance flexible two- and three-dimensional electronics”的最新论文。本研究成功开发了一种简便、多功能且无损伤的转移印刷策略，为制造高性能柔性和可拉伸电子器件提供了新的解决方案。通过应力工程的方法，科学家们克服了传统湿法蚀刻过程中可能引起的化学损伤和薄膜机械断裂的问题。具体来说，他们通过调整直流磁控溅射的参数，精确控制了沉积薄膜中的应力分布，从而确保了薄膜在转移过程中的完整性和稳定性。这种方法不仅适用于转移金属薄膜，还能成功地转移经高温氧化处理的氧化物薄膜，扩展了其在多种功能性器件中的应用潜力。
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，通过应力控制来释放沉积薄膜。这种策略使用直流磁控溅射沉积了应力控制金属双层薄膜，并通过机械弯曲增加了薄膜的总应力，从而实现了高质量薄膜的可靠转移。（2）实验结果表明，调控直流磁控溅射的参数能有效地控制沉积薄膜中的应力分布。机械弯曲作用下，薄膜释放的应变能释放速率超过了薄膜与基板之间的界面韧性，确保了薄膜的完整转移。（3）这一策略不仅成功地将金属薄膜转移到柔性或可拉伸的基板上，还能够处理经过高温氧化处理的氧化物薄膜，而不引起原子扩散。因此，能够实现二维柔性电子器件和复杂的三维多功能器件的制造。
图文解读
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thin-film battery，TFB制造。
科学启迪
以上文章展示了通过应力工程控制的新型干式转移印刷工艺，对制备高质量薄膜和发展高性能软电子设备具有重要的作用。首先，通过调节直流磁控溅射参数，精确控制双层结构中的应力水平和梯度，从而实现薄膜的精确沉积和稳定性增强。其次，采用外向弯曲变形的策略，有效提升了薄膜与基板之间的应变能释放速率，实现了可靠的薄膜剥离，避免了传统湿法蚀刻过程中可能导致的化学损伤和机械损伤。这种创新方法不仅适用于转移金属薄膜，还能处理高温条件下处理过的薄膜，扩展了其在柔性和可拉伸基板上的应用潜力。 最重要的是，这一技术为制造二维柔性/可拉伸电子器件以及复杂的三维多功能结构提供了新的途径和可能性，推动了柔性电子学和多功能器件领域的进步和创新。通过深入理解和应用应力控制的机制，未来可以进一步优化和拓展这一干式转移印刷技术，为各种应用场景下的高性能电子设备提供更加可靠和可持续的制造方法。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
