通過液體基底電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的噴射打印制造柔性嵌入式金屬網(wǎng)透明電極

供稿人：曲滿強(qiáng)、賀健康
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�(huì)

柔性透明電極（FTEs）具有優(yōu)異的光電性能、良好的穩(wěn)定性和高度的靈活性，是下一代柔性光電器件不可缺少的關(guān)鍵部件。氧化銦錫（ITO）作為一種導(dǎo)電透明材料被廣泛使用，但由于其固有的脆性、稀缺性和高溫磁控濺射工藝，很難被用于FTEs。研究人員最近開發(fā)了多種替代性導(dǎo)電材料來替代ITO，包括碳基材料、導(dǎo)電聚合物、金屬材料和混合材料等。其中，使用碳基材料和導(dǎo)電聚合物的共同問題包括導(dǎo)電性差和環(huán)境穩(wěn)定性差，這限制了它們?cè)谌嵝怨怆娮宇I(lǐng)域的應(yīng)用。金屬材料是最有潛力的用于制造FTES，它們提供了高導(dǎo)電性以及可調(diào)的機(jī)械靈活性。超薄金屬膜具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和良好的光學(xué)透射率，但在制造過程中需要進(jìn)行復(fù)雜的加工，如熱蒸發(fā)和濺射沉積。很難解決同時(shí)提高透光率和導(dǎo)電性的矛盾。納米金屬線網(wǎng)格提供了便捷的全溶加工，以及出色的延展性。通過簡(jiǎn)單地改變金屬網(wǎng)中的線寬、間距、高寬比（AR）、形狀和網(wǎng)孔類型，可以優(yōu)化和調(diào)節(jié)基于金屬網(wǎng)的FTEs的電氣和光學(xué)性能。因此，基于金屬網(wǎng)的FTEs被認(rèn)為是ITO的有前途的替代品，并在許多應(yīng)用中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。嵌入柔性透明襯底的金屬網(wǎng)在表面粗糙度、化學(xué)穩(wěn)定性、環(huán)境穩(wěn)定性和機(jī)械疲勞強(qiáng)度方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于壓花金屬網(wǎng)。因此，嵌入金屬網(wǎng)的制造引起了廣泛的關(guān)注。然而，制造帶有嵌入式金屬網(wǎng)的高性能FTEs仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院蘭紅波教授團(tuán)隊(duì)提出了一種液體基底電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微尺度3D打印制備帶有嵌入式金屬網(wǎng)的高性能FTEs。首先在柔性基底表面旋涂一層液體材料，然后體基底電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微尺度3D打印技術(shù)在液膜基底上直接打印出具有大AR的超薄金屬網(wǎng)。最后，通過低溫?zé)�結(jié)得到了具有優(yōu)良光電性能的嵌入式金屬網(wǎng)FTEs。由于液態(tài)膜基底的抑制作用，該方法可以將高分辨率和高AR的金屬網(wǎng)直接封裝在柔性基底上，不需要額外的封裝工藝。液態(tài)膜基材的存在使其有可能通過施加低電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的噴射印刷。該團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了在液體基底上進(jìn)行電動(dòng)流體動(dòng)力噴射打印。

圖1a是嵌入式金屬網(wǎng)FTE制造原理示意圖。圖1b是金屬網(wǎng)嵌入FTE的宏觀圖像。圖1c-d展示了液體基底電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微尺度3D打印原理圖及數(shù)值模擬。圖1e是噴嘴處打印材料與液體基底之間的數(shù)值模擬圖。圖1f是高速攝像機(jī)捕捉到的噴嘴處打印材料和PDMS基底之間形貌的變化過程。

圖2a是嵌入金屬網(wǎng)的FTE的宏觀圖像。圖2b-c展示了完全嵌入金屬網(wǎng)的FTE微縮圖像。圖2d是嵌入式銀線的SEM圖。圖2e為單根銀絲SEM放大圖。圖2f是半嵌入金屬網(wǎng)的FTE宏觀圖像。圖2g-h是半嵌入金屬網(wǎng)格的SEM圖像和部分放大的SEM圖像。圖2i-j是半嵌入銀條的SEM圖像和部分放大的SEM圖像。

圖3展示的是FTE的光學(xué)性能、機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性。圖3a是全嵌入式金屬網(wǎng)在不同間距尺寸PDMS/PET襯底上可見光范圍內(nèi)的透光率。圖3b是在可見光范圍內(nèi)，不含不同間距尺寸PDMS/PET襯底的全嵌入式金屬網(wǎng)的透光率。圖3c是在可見光范圍內(nèi)，不含不同間距尺寸PDMS/PET襯底的半嵌入式金屬網(wǎng)的透光率。圖3d是全埋金屬網(wǎng)在不同間距的Rs。圖3e-h是ITO/PET與彎曲半徑為3 mm的嵌入式金屬網(wǎng)的彎曲穩(wěn)定性比較。圖3f-i是嵌入式金屬網(wǎng)與ITO/PET薄膜的濕熱試驗(yàn)比較。圖3g是預(yù)埋金屬網(wǎng)的化學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)

圖4展示的嵌入金屬網(wǎng)FTE的傳感應(yīng)用。圖4a是身體不同位置的應(yīng)力變量。圖4b是不同面部表情對(duì)應(yīng)的應(yīng)變傳感器實(shí)時(shí)響應(yīng)。圖4c是人體關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變傳感器在不同彎曲角度下實(shí)時(shí)響應(yīng)。圖4d是應(yīng)變傳感器疲勞試驗(yàn)。

結(jié)果表明，該應(yīng)變傳感器在1000次拉伸循環(huán)后仍具有良好的穩(wěn)定性。這表明了其良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。應(yīng)變傳感器具有良好的柔韌性和光學(xué)透明度，且不影響光學(xué)透過率。它可以很好地附著在人體皮膚上，實(shí)現(xiàn)任意拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲功能，從而實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量。此外，嵌入式金屬網(wǎng)在許多實(shí)際應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性，包括柔性電子產(chǎn)品，透明電加熱和傳感器。將該材料用于熱驅(qū)動(dòng)4D打印結(jié)構(gòu)，制備了電阻應(yīng)變傳感器，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。因此，液體基底電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微尺度3D打印技術(shù)可用于方便、環(huán)保和高通量的FTEs制造，有利于柔性光電器件的低成本和綠色制造發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：
Li Z, Li H, Zhu Xet al. Directly Printed Embedded Metal Mesh for Flexible Transparent Electrode via Liquid Substrate Electric‐Field‐Driven Jet[J]. Advanced Science, 2022,9(14):2105331.https://doi.org/10.1002/advs.202105331