液态金属薄膜导体实现3D表面的高度可拉伸电极

可拉伸和柔性电子已经在可穿戴设备、生物医疗器械、柔性光学器件以及软机器人等许多新兴领域吸引了广泛关注。在这些应用中，可拉伸导电材料是一个重要且基本的组成要素，是当前的研究热点。关于可拉伸导体的研究已有广泛报道，例如：导电弹性体、金属纳米线以及图案化的金属薄膜导体等。

尽管这些可拉伸导电方案在许多应用中非常有前景，但在某些情况下，这些方法可能存在影响其应用的局限性。例如，低体积电导率、高机电耦合或弹性差等一种或多种特性的组合，可能会使导电弹性体和金属纳米线导体的功能性受到限制。同样，确定性架构通常需要先进的制造技术来图案化薄膜导体的波浪/蛇形迹线。同时，由于非直线图案，它们的拉伸性有限且面密度较低。

为了解决上述问题，已有报道采用液态金属（LM）组成的室温可拉伸导体。液态金属具有适合可拉伸导体的特性，例如高导电性、极强的可拉伸性、可图案化以及源自固有液态性质的共形性。基于液态金属的方案解决了可拉伸导体的必要功能。

尽管迄今已经投入了大量的研究，但液态金属导体的优势很大程度上仍然受限于衬底或封闭微通道。带有衬底的电路不可避免地面临着一个无法解决的困境，即衬底和电路是分不开的，电路下方的衬底会不可避免地阻碍图案化电路的移动、附着、修复和调整，从而限制了其适用性。

为此，研究人员正在努力开发薄且柔性的衬底，以尽量减少衬底造成的负面影响。然而，衬底的存在使得有些问题不可避免，如果不彻底移除衬底，则不可能完全排除这些问题。为了克服衬底引起的限制并扩展可拉伸导体的适用性，需要开发具有优异机电性能的独立导体或无衬底导体。

据麦姆斯咨询介绍，韩国首尔大学和美国卡耐基梅隆大学的一支合作研究团队，开发了一种独立的图案化液态金属薄膜导体（FS-GaIn），能够在无衬底状态下独立并直接应用于不规则表面。FS-GaIn通过将金属纳米线引入液态金属，然后在无掩模和室温条件下进行顺序选择性激光加工和选择性蚀刻而制成。激光辅助制造有助于超快图案化（激光扫描速度为100 mm/s）和快速成型。

当整合到电路中时，FS-GaIn无需封装即可承受极端应变且电阻变化很小，无需后处理就能与刚性部件形成稳定的电连接，并且能够与非平坦3D表面保持共形接触。由FS-GaIn改进的电路也显示出很高的稳定性。

FS-GaIn是一种特殊的金属基超级可拉伸薄膜导体，可应用于凹凸不平的3D表面或用于原位电路修整，凭借无衬底薄膜液态金属导体特性，扩展了柔性和可拉伸电子领域的应用。

FS-GaIn制造工艺示意图，通过连续可见光激光对真空过滤的液态金属-银纳米线（LM-AgNW）薄膜进行直接激光图案化，以及随后的选择性蚀刻而制备。（i）FS-GaIn扫描电镜显微图；（ii、iii）液态金属-银纳米线薄膜激光曝光前后的扫描电镜显微图。

左图：FS-GaIn与人耳模型及刚性部件的共形连接；右图：树状图案化FS-GaIn。

FS-GaIn制备原理和工艺

总结来说，研究人员在这项研究中开发了FS-GaIn，具有高电导率（5.79 × 10⁵ S/m），在1350%应变范围内电阻变化较小，在10000次100%应变循环周期内保持稳定，并且，在拉伸时能够保持与刚性部件的稳定接触。FS-GaIn优异的机电性能源于三个主要原因，即表面共形性、高度曲折的蛇形结构，以及液态金属和银纳米线之间的润湿性。

通过应用FS-GaIn贴片修复的电路也展示了稳定的连接，并且能够承受超过1000%的应变而不发生电断开。FS-GaIn制造方法简便，采用直接激光写入和蚀刻组合，能够在无掩模和室温条件下快速制造图案化的FS-GaIn。通过充分利用多相烧结区和非烧结区之间的差异化蚀刻，实现了FS-GaIn的制造。

FS-GaIn的特性还可以进行原位电路修改、附着到具有尖锐轮廓的3D表面，以及在受限环境下安装电路。FS-GaIn克服了传统薄膜导体不可避免的局限性，将其应用于可穿戴电子器件、柔性光学器件和软机器人有望开辟下一代可拉伸电子设备。