通過液體基底電場驅(qū)動的噴射打印制造柔性嵌入式金屬網(wǎng)透明電極

供稿人：曲滿強、賀健康
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�

柔性透明電極（FTEs）具有優(yōu)異的光電性能、良好的穩(wěn)定性和高度的靈活性，是下一代柔性光電器件不可缺少的關(guān)鍵部件。氧化銦錫（ITO）作為一種導電透明材料被廣泛使用，但由于其固有的脆性、稀缺性和高溫磁控濺射工藝，很難被用于FTEs。研究人員最近開發(fā)了多種替代性導電材料來替代ITO，包括碳基材料、導電聚合物、金屬材料和混合材料等。其中，使用碳基材料和導電聚合物的共同問題包括導電性差和環(huán)境穩(wěn)定性差，這限制了它們在柔性光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。金屬材料是最有潛力的用于制造FTES，它們提供了高導電性以及可調(diào)的機械靈活性。超薄金屬膜具有優(yōu)良的導電性和良好的光學透射率，但在制造過程中需要進行復雜的加工，如熱蒸發(fā)和濺射沉積。很難解決同時提高透光率和導電性的矛盾。納米金屬線網(wǎng)格提供了便捷的全溶加工，以及出色的延展性。通過簡單地改變金屬網(wǎng)中的線寬、間距、高寬比（AR）、形狀和網(wǎng)孔類型，可以優(yōu)化和調(diào)節(jié)基于金屬網(wǎng)的FTEs的電氣和光學性能。因此，基于金屬網(wǎng)的FTEs被認為是ITO的有前途的替代品，并在許多應(yīng)用中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。嵌入柔性透明襯底的金屬網(wǎng)在表面粗糙度、化學穩(wěn)定性、環(huán)境穩(wěn)定性和機械疲勞強度方面都遠遠優(yōu)于壓花金屬網(wǎng)。因此，嵌入金屬網(wǎng)的制造引起了廣泛的關(guān)注。然而，制造帶有嵌入式金屬網(wǎng)的高性能FTEs仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

針對上述問題，青島理工大學機械與汽車工程學院蘭紅波教授團隊提出了一種液體基底電場驅(qū)動微尺度3D打印制備帶有嵌入式金屬網(wǎng)的高性能FTEs。首先在柔性基底表面旋涂一層液體材料，然后體基底電場驅(qū)動微尺度3D打印技術(shù)在液膜基底上直接打印出具有大AR的超薄金屬網(wǎng)。最后，通過低溫燒結(jié)得到了具有優(yōu)良光電性能的嵌入式金屬網(wǎng)FTEs。由于液態(tài)膜基底的抑制作用，該方法可以將高分辨率和高AR的金屬網(wǎng)直接封裝在柔性基底上，不需要額外的封裝工藝。液態(tài)膜基材的存在使其有可能通過施加低電壓實現(xiàn)穩(wěn)定的噴射印刷。該團隊首次實現(xiàn)了在液體基底上進行電動流體動力噴射打印。

圖1a是嵌入式金屬網(wǎng)FTE制造原理示意圖。圖1b是金屬網(wǎng)嵌入FTE的宏觀圖像。圖1c-d展示了液體基底電場驅(qū)動微尺度3D打印原理圖及數(shù)值模擬。圖1e是噴嘴處打印材料與液體基底之間的數(shù)值模擬圖。圖1f是高速攝像機捕捉到的噴嘴處打印材料和PDMS基底之間形貌的變化過程。

圖2a是嵌入金屬網(wǎng)的FTE的宏觀圖像。圖2b-c展示了完全嵌入金屬網(wǎng)的FTE微縮圖像。圖2d是嵌入式銀線的SEM圖。圖2e為單根銀絲SEM放大圖。圖2f是半嵌入金屬網(wǎng)的FTE宏觀圖像。圖2g-h是半嵌入金屬網(wǎng)格的SEM圖像和部分放大的SEM圖像。圖2i-j是半嵌入銀條的SEM圖像和部分放大的SEM圖像。

圖3展示的是FTE的光學性能、機械穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性。圖3a是全嵌入式金屬網(wǎng)在不同間距尺寸PDMS/PET襯底上可見光范圍內(nèi)的透光率。圖3b是在可見光范圍內(nèi)，不含不同間距尺寸PDMS/PET襯底的全嵌入式金屬網(wǎng)的透光率。圖3c是在可見光范圍內(nèi)，不含不同間距尺寸PDMS/PET襯底的半嵌入式金屬網(wǎng)的透光率。圖3d是全埋金屬網(wǎng)在不同間距的Rs。圖3e-h是ITO/PET與彎曲半徑為3 mm的嵌入式金屬網(wǎng)的彎曲穩(wěn)定性比較。圖3f-i是嵌入式金屬網(wǎng)與ITO/PET薄膜的濕熱試驗比較。圖3g是預埋金屬網(wǎng)的化學穩(wěn)定性試驗

圖4展示的嵌入金屬網(wǎng)FTE的傳感應(yīng)用。圖4a是身體不同位置的應(yīng)力變量。圖4b是不同面部表情對應(yīng)的應(yīng)變傳感器實時響應(yīng)。圖4c是人體關(guān)節(jié)對應(yīng)的應(yīng)變傳感器在不同彎曲角度下實時響應(yīng)。圖4d是應(yīng)變傳感器疲勞試驗。

結(jié)果表明，該應(yīng)變傳感器在1000次拉伸循環(huán)后仍具有良好的穩(wěn)定性。這表明了其良好的實際應(yīng)用潛力。應(yīng)變傳感器具有良好的柔韌性和光學透明度，且不影響光學透過率。它可以很好地附著在人體皮膚上，實現(xiàn)任意拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲功能，從而實現(xiàn)精確的測量。此外，嵌入式金屬網(wǎng)在許多實際應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性，包括柔性電子產(chǎn)品，透明電加熱和傳感器。將該材料用于熱驅(qū)動4D打印結(jié)構(gòu)，制備了電阻應(yīng)變傳感器，取得了良好的實際應(yīng)用效果。因此，液體基底電場驅(qū)動微尺度3D打印技術(shù)可用于方便、環(huán)保和高通量的FTEs制造，有利于柔性光電器件的低成本和綠色制造發(fā)展。

參考文獻：
Li Z, Li H, Zhu Xet al. Directly Printed Embedded Metal Mesh for Flexible Transparent Electrode via Liquid Substrate Electric‐Field‐Driven Jet[J]. Advanced Science, 2022,9(14):2105331.https://doi.org/10.1002/advs.202105331