基于树根启发的模板限制增材打印技术用于制造高鲁棒性共形电子器件

学术背景

随着智能机器人、智能皮肤和集成传感系统等新兴应用场景的快速发展，共形电子器件在自由曲面上的应用变得至关重要。然而，现有的共形电子器件在机械或热影响下容易发生撕裂、断裂或开裂，限制了其应用可靠性。为了解决这一问题，研究人员从树根系统的力学机制中获得灵感，提出了一种模板限制增材打印（Template-Confined Additive, TCA）技术，用于制造高鲁棒性的共形电子器件。

论文来源

该论文由Guifang Liu、Xiangming Li、Yangfan Qiu等作者共同撰写，作者来自西安交通大学微纳技术研究中心和前沿科学技术研究院。论文于2024年发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上，题为《Root-inspired, template-confined additive printing for fabricating high-robust conformal electronics》。

研究流程

1. TCA打印技术的设计

TCA打印技术通过将粘合剂渗透到功能材料中，增强了电路的机械鲁棒性，使其能够在外部损伤因素（如刮擦、磨损、折叠和高温）下保持电气性能。该技术利用柔性模板定义电路形状，并通过粘合剂渗透增强电路强度。具体流程包括： - 材料填充：将功能材料填充到柔性模板中，形成预制的电路图形。 - 粘合剂填充：将紫外（UV）粘合剂填充到模板中，使其渗透到功能材料中，并通过UV光固化。 - 模板转移：使用弹性仿生印章将模板转移到三维基板上，形成共形接触。 - 模板移除：移除模板，功能化图案被转移到基板表面。

2. 实验验证

研究人员通过一系列实验验证了TCA打印技术的鲁棒性和高分辨率。实验包括： - 机械鲁棒性测试：通过刮擦、折叠、高温等测试，验证了TCA打印电路在极端环境下的稳定性。 - 分辨率测试：利用光刻工艺制造的模板，TCA打印技术实现了高达300纳米的分辨率，并能够实现多层材料的自对准打印。 - 多材料适应性测试：TCA打印技术适用于多种材料，如银纳米颗粒（AgNPs）、多壁碳纳米管（MWCNTs）和聚偏氟乙烯（PVDF）等。

主要结果

1. 机械鲁棒性

TCA打印的电路在刮擦、折叠和高温测试中表现出优异的稳定性。例如，在350°C的高温下，电路仍能保持其电气性能。相比之下，传统打印电路在高温和机械损伤下容易失效。

2. 高分辨率打印

TCA打印技术利用模板的限制效应，实现了高达300纳米的分辨率，并能够精确控制电路的线宽和间距。通过调整墨水的固含量或模板深度，还可以控制电路的厚度。

3. 多材料打印

TCA打印技术能够实现多层材料的自对准打印，成功打印了由MWCNTs、AgNPs和PVDF-TrFE等材料组成的多层电路。

4. 应用展示

研究人员展示了TCA打印技术在共形温度/湿度传感系统和超薄能量存储系统中的应用。例如，在陶瓷花瓶表面打印的共形温度/湿度传感系统能够准确感知环境变化，并在极端环境下保持稳定工作。

结论

TCA打印技术通过粘合剂渗透和模板限制效应，成功实现了高鲁棒性和高分辨率的共形电子器件制造。该技术不仅适用于多种材料和任意形状的基板，还在智能设备、机器人和航空航天等领域展示了广泛的应用潜力。

研究亮点

1. 高鲁棒性：TCA打印的电路在极端环境下表现出优异的机械和电气稳定性。
2. 高分辨率：利用模板限制效应，实现了高达300纳米的分辨率。
3. 多材料适应性：适用于多种材料，并能够实现多层材料的自对准打印。
4. 广泛应用：展示了在共形温度/湿度传感系统和超薄能量存储系统中的成功应用。

研究意义

TCA打印技术为共形电子器件的制造提供了一种简单、有效且可靠的方法，解决了现有技术中机械鲁棒性和分辨率不足的问题。该技术在智能设备、机器人和航空航天等领域具有重要的应用价值，推动了共形电子器件的进一步发展。