Advanced Functional Materials:基于表面张力和毛细力的液滴转印方法

近日,清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组报道了一种利用液滴表面张力来实现柔性器件高精度、高成品率转印的方法,该方法可以实现薄膜器件复杂异形曲面的转印集成。研究人员通过毛细管对液滴形态的控制,调控固-液界面的粘附力,从而实现柔性器件的转印。这种方法不仅可以实现超薄柔性器件的转印,还提供了一种基于平面工艺实现复杂异形曲面制备的新方法,为曲面柔性电子器件的制造提供了新的途径,扩展了转印技术在柔性电子技术研究中的应用。相关成果以“Liquid Droplet Stamp Transfer Printing”为题在线发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

图1.液滴转印流程示意图

柔性电子器件是通过将功能薄膜集成到高分子聚合物柔性衬底上来实现柔性和延展性的。由于柔性衬底无法为功能薄膜提供生长和制备的环境,柔性电子器件的制备工艺必须增加一个重要的环节—转印,即将功能薄膜从其生长的无机半导体衬底上剥离、再印制到柔性承印衬底上。目前,学界已提出多种转印技术,对于接触式转印方法,印章与器件表面紧密贴合,在拾取和印制过程中,过大的接触应力会导致器件损坏,尤其发生在超薄和多层器件中;对于基于热控制的转印方法,工艺过程中柔性衬底容易发生热膨胀,进而导致器件失效,无法进行精密结构的制备;对于以牺牲层为代表的非接触方法,器件的制造需经历多次加热,残余应力容易影响器件定位精度,难以实现精确的印制。

针对当前转印技术中存在的问题,研究人员结合接触式和非接触式转印的特点,提出了一种基于表面张力的液滴转印方法,利用液体的流变特性,通过毛细管对液滴形态的控制,调控固-液界面的粘附力,从而实现柔性器件的转印,该方法减少了超薄柔性器件的转印过程中印章对器件的损伤,同时也为曲面电子器件的制造提供了新的思路。

图2.(a) 传统印章和液滴印章针对超薄LED芯片转印集成的结果对比;(b) 锥螺旋微天线与异形曲面的转印集成

当液体印章与待转印器件/单元结合时,液滴对器件进行包裹,进而实现保护器件的作用。相比于传统弹性印章转印方法,液体的流变特性充分发挥作用,使得薄膜器件更容易转印到多种复杂的空间曲面上。通过对固-液界面粘附力的理论分析,提出了基于液滴印章的转印技术,实现了柔性薄膜的高度精确可控转印,并通过实验证实了理论模型的正确性与该转印方法的可行性。研究人员通过液体印章转印方法,成功实现了30微米超薄LED芯片的转印集成(图2a为传统印章和液滴印章转印对超薄LED芯片转印结果的对比)与锥螺旋微天线与异形曲面的转印集成(图2b)。此方法利用了表面张力和毛细作用,可以实现转印期间印章-薄膜作用力的精确调控,进而能够高效、高质量地完成超薄器件的转印;利用二维制备工艺和转印技术,实现了立体空间微结构和异形界面的集成,为曲面电子器件的设计与制备提供了一种新的方案。

清华大学航天航空学院博士生刘鑫为文章第一作者,马寅佶助理研究员、冯雪教授是论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文信息:

Liquid Droplet Stamp Transfer Printing

Xin Liu, Yu Cao, Kunwei Zheng, Yingchao Zhang, Zhouheng Wang, Yihao Chen, Ying Chen, Yinji Ma*, Xue Feng*

Small

DOI: 10.1002/adfm.202105407

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105407