近年來，對於可穿戴電子設備的需求激發了新型電子功能資料和可拉伸集成科技的發展，相較於傳統的電子器件，可穿戴器件更注重柔性可拉伸的機械效能，從而將各種傳感、刺激和顯示等功能與人體實現無縫集成，在生命健康、人機交互、消費電子和軍事領域都有廣闊的應用前景。可拉伸電子對資料性質和加工集成工藝提出了更高的要求，其中可拉伸導體是構建具有優异形變能力器件的覈心資料。液態金屬Galinstan（Ga，In，Sn的共晶合金）在室溫下處於熔化態而具有液體的流動性，同時具有金屬材料的高電導率，成為了可拉伸電子器件和系統的理想選擇。柔性及可拉伸功能器件的關鍵步驟是將液態金屬圖案化，尤其在柔性印刷電子領域，通常在彈性基底上將液態金屬線路化並集成相應的電子元件，以獲得具有拉伸效能的集成電路，實現器件由剛性到柔性的轉變。
近日，南京大學現代工程與應用科學學院的孔德聖教授團隊發展了一種基於液相工藝的液態金屬圖案化加工方法，具有成本低廉、可規模化製備的特點，其加工精度可達100μm，在柔性及可穿戴電子領域有著廣闊的應用前景。研究成果以“Fully solution processed liquid metal features as highly conductive and ultrastretchable conductors”為題發表於npj Flexible Electronics上。
為了實現液態金屬在柔性高分子基底上精細的圖案化構建，需要在基底上建立液態金屬的選擇性潤濕區域。該團隊首先在彈性基底表面修飾了聚多巴胺（PDA）塗層，該塗層為後續的金屬沉積提供了還原官能團（鄰苯二酚基團）和黏附力。之後通過銀離子活化、銅化學沉積等過程在彈性體上製備出金屬鍍層，最後利用液態金屬對銅的潤濕性，實現液態金屬的選擇性塗敷。加工的圖案則是通過絲網印刷掩膜實現，掩膜在製備PDA層後作為犧牲層洗去，從而在彈性基底上實現高精度圖案化修飾和液態金屬塗敷。圖1a表示該工藝的流程示意圖，一些關鍵步驟對應的功能塗層的形貌則由圖1b的顯微鏡照片展示。
圖1.（a）製備液態金屬圖案的流程示意圖。（b）在四種不同的彈性基底上製備的液態金屬圖案（比例尺：1 mm）。
根據該團隊的研究，這種加工工藝的實現不限定於特定的某種基底，可以拓展到多種不同類型的彈性體上。相比其他依賴基底特殊的表面性質和加工參數的加工方案，這項工作具有更好的普適性，其原因在於PDA塗層可以對幾乎任意基底進行修飾，為金屬在不同基底上生長創造了相似的表面環境，保證後續過程的同一性。最終在不同基底上製備的銅塗層，對於液態金屬具有幾乎相同的潤濕能力（接觸角在9°~11°之間），良好的潤濕性為液態金屬的選擇性塗敷提供了保障（圖2a）。這一研究成果幫助該團隊可以在標準化流程下，對不同類型、效能的基底進行複雜的液態金屬圖案加工（圖2b）。
圖2.（a）液態金屬對銅的潤濕角（比例尺：1 mm）。（b）在不同基底上製備的液態金屬圖案（比例尺：2 cm）。
液相加工的液態金屬線路具有超高的電導率（4.15×104 S cm-1）和優异的拉伸效能，在100%應變下，電阻僅增長1.5倍，在500%的應變下，電阻僅增長15倍，並且最高可以實現1000%的應變（圖3a）。所製備的液態金屬線路在300%應變下進行1000次的迴圈拉伸測試，電阻變化仍然保持穩定（圖3b），展現了其突出的耐機械疲勞特性。同時，液態金屬線路即使長期放置於空氣中，其電導率也不會有明顯變化（圖3c）。這些特性表明液相加工的液態金屬可用於可拉伸電子器件的製備。在彈性體基底上，利用液態金屬作為導線將LED晶片進行陣列化集成，製備了一個可拉伸LED陣列（如圖3d所示），可以實現大形變數的雙軸拉伸，從而可作為固態光源與身體貼合而實現無縫集成（圖3e）。
圖3.（a）液態金屬電阻與應變的關係。（b）液態金屬的電阻在1000個迴圈下的變化（0%~300%應變）。（c）液態金屬的電阻隨存儲時間的變化。（d）LED陣列雙軸拉伸前後對比。（e）可穿戴LED照明設備。
小結：在這項工作中，該團隊建立了一種在彈性基底上製備精細液態金屬圖案的全液相加工方法，並證實了其具有優异的導電性、高達1000%的拉伸性以及迴圈穩定性，製備的可拉伸LED陣列實現了液態金屬導體與元件在彈性基體上的集成。該方法無需昂貴的微加工設備，對於不同的彈性基底都具有很好的相容性，有望用於各類可拉伸電子器件的設計與加工。