Advanced Functional Materials: 水蒸气的魔术——基于酸酐辅助室温烧结的瞬态电子加工技术

瞬态生物可降解电子器件指的是电子器件在完成预设任务后,可自行发生部分或全部溶解的一类器件,其在环保领域、医学领域和信息安全领域也有着自己独有的优势。在环保领域,手机、电器等稳态电子设备的使用每年产生高达25×106吨的电子垃圾,对环境造成了严重的污染。使用可生物降解的电子设备代替现有稳态电子设备,在其废弃后可以在短时间内部分或全部降解,减轻环境负担和污染,也有望降低稳态设备高昂的回收处理费用。在医疗与健康领域,瞬态电子设备在可控药物释放以及植入式医疗设备方面有着巨大的潜力,可以自行降解的生物兼容瞬态电子器件可以避免患者经历二次手术,降低医疗成本,缩短康复时间。信息安全领域,瞬态器件可瞬间的自我毁灭或消除,从而保障了信息和技术的安全。

目前瞬态电子器件主要采用无水无氧的CMOS方法进行加工,较为苛刻的加工条件限制了瞬态电子大规模加工和进一步发展。天津大学黄显教授曾提出通过球磨法制备制备瞬态油墨,再通过电子印刷技术结合光烧结实现瞬态器件的加工。此种方法大大简化了瞬态电子器件的加工工艺,将大大推进瞬态电子设备大规模商业化应用的成熟,为环境、医疗、信息等领域带来全新的设备选择。但目前瞬态导电油墨的原材料选择有限,且印制瞬态图案的烧结需要在惰性气体的保护下利用光脉冲和激光烧结等大型设备进行烧结,不仅使得瞬态电子器件加工过程费时费力,又因烧结产生的高温限制了瞬态衬底的材料的选择。

针对上述问题,天津大学黄显教授和徐航博士提出了酸酐辅助室温自身烧结的概念。研究团队利用酸酐遇水产生弱酸的特性,研制了一种基于纳米锌和酸酐新型纳米金属导电油墨,并开发了相应的新型烧结方法。首次实现了在室温环境下,通过水蒸气实现瞬态油墨线路的烧结。通过在瞬态油墨中加入酸酐,利用酸酐遇水产生弱酸的化学特性,将瞬态电子领域的不利因素—水,转换为印制图案烧结的触发条件,实现了印刷线路在水蒸气条件下的自我烧结(图a),并展现出了良好的导电性及柔韧性,可以多种角度弯折,弯折曲率半径可达3.8 mm,且弯折1500次后电导率仅下降2%(图b)。研究团队还在此项烧结方法的基础上,印刷制作了柔性瞬态PCB电路(图c),实现了高频振荡器信号的稳定传输,展现该新型导电油墨的良好高频特性(图d)。同时,整个系统可以转化为无线温度监控电路,实现25-95℃的温度监测(图e)。此外,印制瞬态电路在水性条件下可实现半小时内的有效降解(图f),细胞毒性实验表明该新型油墨具有良好的生物相容性(图g),为其作为植入式功能器件提供了更广泛的应用场景。

酸酐辅助烧结法是一种十分新颖的油墨导线烧结方法,该油墨良好的该方法为可降解导电油墨在瞬态器件当中的使用释放了广阔的想象空间。使用含酸酐的纳米锌油墨制成的器件可以在一定时间后自行激活,完成既定工作使命后又可以自行降解。同时,这种方法给油墨的大规模商业化也带来了便利,用户无需自行购买安装烧结设备,仅需将导线暴露在潮湿环境或滴加水即可完成对导线的烧结,具有十分重要的科学意义和潜在应用价值。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201905024)。