Materials Today 封面文章| 基于强脉冲光转印技术的 3D 复杂表面多功能电路制备工艺- 大数跨境

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Materials Today 封面文章| 基于强脉冲光转印技术的 3D 复杂表面多功能电路制备工艺

科学材料站

2021-12-05

导读：本文研发的转印技术，简单而成功地解决了氧化锌保护膜对金属颗粒烧结过程中的干扰问题

文章背景

北京时间2021年10月29日清晨，著名互联网公司Facebook (FB.US)正式战略转型更名为“Meta”, 引爆元宇宙（Metaverse）概念。元宇宙是一个基于深度虚拟现实结合的实体化互联网世界，其中基于5G网络的万物互联（IoT）以及人机交互技术将占据元宇宙中的重要一环。

无独有偶，著名企业家伊隆马斯克于2017年创办的脑机接口Neuralink公司也致力于研究深度的大脑与机器的连接。表面贴合与侵入式是两种目前人与传感器交互的方式。如何能很好地制备/贴合各种传感器在不同形貌的皮肤/设备表面，将是人机交互，万物互联时代下亟需解决的问题之一。

基于此，宾夕法尼亚州立大学（PSU）工程科学与力学系（ESM）助理教授程寰宇团队（通讯作者：程寰宇；共同第一作者：衣宁、高玉岩）以《基于强脉冲光转印技术的 3D 复杂表面多功能电路制备工艺》（Fabricating functional circuits on 3D freeform surfaces via intense pulsed light-induced zinc mass transfer）为题的论文发表在 Materials Today （Volume 50）上。

该研究首次提出利用脉冲光及转印技术，在毫秒量级的时间，在多种复杂形貌曲面的表面，基于锌金属颗粒，制备可降解的传感电路。程寰宇团队研发的转印技术，简单而成功地解决了氧化锌保护膜对金属颗粒烧结过程中的干扰问题；并且，实现了在3D复杂自由曲面上快速（毫秒）制备可降解或传统高性能传感电路。

图1.转印在贝壳上的金属层传感器

技术亮点

光烧结技术（photonic sintering）是利用宽频谱光源对金属纳米颗粒进行毫秒时间的照射，光照能量部分被纳米颗粒吸收，光能转化为热能，纳米颗粒温度升高，达到熔点完成金属颗粒的烧结。

锌是人体所需的微量元素之一，其作为金属材料具有熔点低、可水解的特点，非常适用于瞬态可降解电子（transient electronics）的光致烧结材料。在此之前，也有其他研究组使用光烧结锌颗粒的技术制备电子器件，但是受制于锌颗粒表面的氧化层，其制备的导电线路需要激光/烤箱加热等二次处理工艺提升导电性。

程寰宇团队利用转印技术，在强光脉冲照射下，利用锌金属低熔点与氧化物高熔点的差值，将锌金属熔化并转印到目标基底上，而氧化物壳层则留在过渡基底上，从而成功将氧化层与内部金属颗粒分离。

更值得一提的是，锌颗粒可以转印到多种曲面，极大地扩展了光致烧结金属颗粒的应用范围。在论文中，该团队展示了将器件转印到烧杯和贝壳上的示例。

图2.光烧结转印示意图

成果展望

该工艺具有大规模加工制造的特性，可以快速、大规模、低成本地制备曲面/平面可降解电子器件，该技术可用于包括医疗可降解植入设备、环境绿色传感器、军用物理自破环保密、智能物联网等多领域。

医用多功能可降解传感器应用前景广泛，可以贴在人体心脏、大脑内部等器官表面，在患者术后数周的时间内为医生提供实时数据反馈。在完成数据采集功能之后，可以自行在人体内降解，而无需二次手术取出传感器。

在农业领域应用环境绿色传感器方面，在一些农作物的叶子上应用该柔性传感器，可以获得更精确、广泛的作物生长数据。并且，所使用的生物相容性材料对环境无污染。

此外，该技术的可降解传感器也可用于保密数据领域，实现器件自销毁功能。

图3. 转印在烧杯壁上的多功能传感器电路

课题组简介

程寰宇（Larry）博士现为工程科学与力学系助理教授，Dorothy Quiggle Career Development冠名教授，受聘于宾夕法尼亚州立大学生物医学工程系、机械工程系、建筑工程系、工业与制造工程系以及材料科学与工程系。他于2010年在清华大学获得学士学位，并于2011年和2015年在美国西北大学分别获得硕士和博士学位。目前课题组研究方向为生物电子器件的力学设计与制备，及其在机器人、生物医疗、能源等前沿领域的应用，发表论文100多篇，总被引用量达13600次，h指数46。

程教授的工作得到了广泛认可，所获荣誉包括不限：2021年NIH开拓者奖，2021年Scialog Fellow in Advancing BioImaging，2021年矿物、金属和材料协会(TMS)颁发的Frontiers of Materials奖，2020年Ben Franklin TechCelerator Pitch第一名， 2018年ACS石油研究基金New Investigator, 2017年福布斯科学领域“30位30岁以下精英”榜单，2016年当选40岁以下科学家Global Young Academy成员，等等。此外，程教授还是7本期刊的副主编及180余本国际期刊的审稿人。

文章链接

Fabricating functional circuits on 3D freeform surfaces via intense pulsed light-induced zinc mass transfer - ScienceDirect

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136970212100225X