重置列印技術構建液態金屬三維結構

液體金屬高解析度列印系統簡圖與部分列印成型的微電路圖案。

直接列印與重置列印後的電觸點。

液態金屬的三維重構可顯著提升電子設備的集成性。

phys.org網站6月27日報道，韓國納米科學研究人員Young-Geun Park等開發了一種突破傳統的3D列印技術。研究人員可以利用該技術設計高解析度、可重構的3D列印方案，從而製造基於液態金屬的可伸縮3D結構。Park等通過多次重置，生成了超薄氧化物界面，並能在環境條件下保持材料的電性能和封裝獨立的功能。在演示實驗中，Park等展示了可重構天線的應用情況。獨立的三維結構有利於減少相互連接的數量，節約內部空間，從而實現更高的集成度。相關研究成果刊登於《科學進展》等雜誌中。

三維導電結構的高解析度、高縱橫比和低誤差是提高設備集成性的關鍵。而設備的形變性是自由形狀電子產品需要考慮的重要因素。例如可穿戴產品和柔性機器人等電子設備需要具備靈活的構象或柔軟的表面。硅系傳統材料的脆性較高，不能滿足可伸縮器件的需求。為此，材料科學家們開發了金屬網路、彈性複合材料等多種可伸縮導電材料。然而，這類材料又無法形成三維結構。此外，基於3D列印和熱退火金屬相對較高的剛性也容易對軟質襯底造成損傷。

液態金屬，如共晶鎵銦合金（EGaIn）或銦錫合金（Galinstan）等可拉伸性較好、毒性和揮發性較低、電導率較好。在室溫下，直接「噴墨」列印即可通過堆疊液態金屬液滴形成獨立的三維結構。但用這種方法製造的產品解析度較低，不適合用於電子設備。因此，Park等提出用高解析度液態金屬列印技術替代現有技術。該方法可以在環境條件下直接將液滴重置為三維電極圖案。Park等以EGaIn（兩者質量比為75.5/24.5）作為「油墨」，通過控制噴嘴尖端與聚合物基體之間的距離，在掃描電鏡幫助下列印了高解析度的互連電路。

在直接列印EGaIn後，Park等抬起噴嘴尖端，重新定位至基片的期望位置繼續列印。重置過程並不會破壞結構，研究人員甚至能從基底上垂直取出預印的絲極。為了驗證EGaIn作為互連體的適應性，Park等隨後還進行了電氣擊穿實驗。在電氣擊穿實驗中，實驗裝置溫度過高一般會影響EGaIn三維結構的機械穩定性。但重置EGaIn結構體的獨立三維結構在5000攝氏度高溫考驗下仍舊維持了近30分鐘。

Park等還展示了一種可重構天線的實驗情況。研究人員可以通過改變這種天線的幾何形狀來改變其共振頻率和輻射特性。Park等首先通過直接列印製造了EGaIn雙線圈天線結構，然後再經重構過程製造了三維橋接互連體。該結構可以選擇性地操作3種不同的二極體發出紅、綠、藍光。值得注意的是，互連體在反覆的斷開和接通過程中，電阻不會發生變化，能夠在3V電壓下可靠操控二極體。

重構過程有利於在二維平面構建交叉幾何圖形，從而避免了多層結構導致的非必要電接觸。為此，Park等演示了EGaIn在柔性聚合物薄膜表面的4×4陣列互連。研究人員預測，高解析度三維重構方法有望為下一代高度集成的可伸縮電子設備的製造提供新思路。

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：三水

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！