一種柔性可拉伸導電薄膜及其製備方法
2024-04-15 11:50:05 1
1.本發明屬於柔性電子領域，具體涉及一種柔性可拉伸導電薄膜及其製備方法。
背景技術：
2.可穿戴技術在新興領域發揮著關鍵作用，如個人健康護理、活動監測等方面。這些領域需要能夠將人體與環境巧妙連接起來並為佩戴者提供有用信息的設備。然而，當前可穿戴設備的性能受到剛性電子元件的限制，設備和人體軟組織之間的機械性能差異導致設備錯位和數據採集不準確。在這方面，研究人員已經開發出易於符合三維（3d）、人體表面不均勻，同時保持其功能的柔性電子材料。特別是，研究人員致力於將這些材料配置為超薄、輕質、可貼膚的結構。這些類似皮膚的設備有望提供無縫、長期的操作，而不會給用戶帶來任何不適。
3.製備柔性和可拉伸電子器件的一個主要方法是賦予固有剛性導體彈性。一種自上而下的策略是將金屬薄膜圖案化為幾何結構，從而在拉伸過程中消除應變。這些結構採用了波浪形、蛇形、褶皺或故意斷裂的設計，這些設計通過在大變形下在平面外變形而對材料本身產生可忽略的應變。由於這些結構的製造技術通常涉及常規材料和程序，因此採用這種方法製造的器件與現有的電氣部件兼容。這一優勢已成功地應用於穿戴者物理上無法感知的電子皮膚型設備。然而，器件密度低、僅在規定方向上可拉伸以及機械穩定性低等問題仍未得到解決。另一種自下而上的策略是將剛性導電顆粒嵌入彈性體中，這些複合材料受益於彈性基體材料的大拉伸性，而導電性由導電填料的滲透網絡維持。包括噴墨印刷、絲網印刷和電流體動力學（ehd）印刷等複合油墨的便捷印刷方法，已被用於製造電子皮膚狀裝置。這些方法實現了器件的大規模和低成本製造，例如可拉伸電晶體陣列、可拉伸光電器件、可穿戴傳感器和能量收集器。這些納米複合材料可以通過控制其導電網絡的組成和結構來設計成具有高靈敏度的柔性電子器件，然而，它們的高應變係數和相對低的電導率阻礙了它們在電力傳輸中的應用。
技術實現要素：
4.本發明的目的是針對由傳統電導體固有剛性引起的上述問題，對液相金屬導體進行了研究，提供一種柔性可拉伸導電薄膜及其製備方法，利用該方法能夠製備任意方向拉伸且電導率高的柔性導電薄膜/線路。
5.本發明實現上述目的所採用的技術方案為：第一方面，本發明提供一種柔性可拉伸導電薄膜的製備方法，包括如下步驟：步驟1：採用電子束沉積技術在柔性襯底上蒸鍍一層金屬薄膜基層作為導電軌跡層；作為優選，所述柔性襯底包括pdms、pu、ecoflex、sebs中任一種。
6.作為優選，所述金屬薄膜基層中的金屬採用fe、co、ni中任一可使液態金屬浸潤的金屬材料，更為優選為ni；
步驟2：採用真空熱蒸發技術在步驟1柔性襯底的金屬薄膜基層上表面沉積液態金屬薄膜，得到柔性薄膜；作為優選，所述液態金屬採用ga-in-sn合金、ga-in合金、ga中的一種或者多種，更為優選為ga；步驟3：將柔性薄膜暴露於大氣中，使液態金屬薄膜表面形成氧化層；步驟4：採用真空熱蒸發技術在柔性薄膜的氧化層上表面沉積液態金屬薄膜，重複步驟3-步驟4多次，製備得到柔性可拉伸導電薄膜。
7.作為優選，步驟2和步驟4中所述真空熱蒸發技術的壓力為pa，液態金屬用量是0.25g。
8.第二方面，本發明提供一種柔性可拉伸導電薄膜，採用以上方法製備得到。
9.本發明中，首先使用電子束沉積設備在柔性基底上沉積一層剛性金屬薄膜，這裡採用ni金屬層，然後使用熱蒸發沉積設備將液態金屬逐層蒸發到製備的金屬薄膜上，由於液態金屬對大多數金屬具有腐蝕作用，在蒸鍍完第一層液態金屬後，將薄膜暴露於大氣環境中以形成一層氧化層，進行鈍化。在隨後的液態金屬沉積過程中，新的液態金屬層可以在表面氧化層上生長。
10.其中，剛性金屬基層的作用是作為導電軌跡層，由於液態金屬具有高表面張力，因此直接通過熱蒸髮長膜的方式蒸發沉積的液態金屬薄膜並不是連續薄膜，而是形成均勻分布的液態金屬顆粒薄膜，顆粒表層由於形成氧化層而相互獨立，無法導電。故本發明提出一種逐層簡單沉積的薄膜生長方法，考慮到液態金屬與其他金屬的浸潤性較好，首先在柔性襯底上生長一層ni膜，隨後在ni膜上生長一層ga膜，ga與ni會發生一定程度的腐蝕反應，一方面使得ga形成層狀薄膜，提高了薄膜的導電性；另一方面提高了ga與柔性襯底的結合力，不會使其脫落，同時，液態金屬對導電軌跡層的腐蝕減弱了剛性金屬層對拉伸情況下電性能降低的影響。將生長了單層ga的ni/ga薄膜置於大氣中「鈍化」，用表面形成的氧化層封裝ni/ga薄膜，在隨後的ga的沉積過程中，新的ga液滴可以在表面氧化物上生長，且保持液態，這大大改善了薄膜在拉伸下的導電能力。
11.與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明製備方法簡單易行，通過控制蒸鍍液態金屬的質量、層數，即可控制最終製備得到的柔性導電薄膜的電性能及拉伸性能，有利於柔性導電薄膜/線路的快速、批量製備。
附圖說明
12.圖1 本發明柔性可拉伸導電薄膜的製備工藝示意圖。
13.圖2 薄膜方阻與蒸鍍ga層數的相關關係。
14.圖3 具有不同ga層數（1，3，4層ga）的導電薄膜的相對電阻響應。
具體實施方式
15.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於
限定本發明。本領域技術人員在理解本發明的技術方案基礎上進行修改或等同替換，而未脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的保護範圍內。
16.實施例1本實施例中，採用柔性襯底pdms作為襯底材料，剛性金屬層使用ni金屬，液態金屬層使用ga金屬，具體方法如圖1所示。
17.步驟1：採用電子束沉積技術，在pa下，在80
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10mm尺寸規格的pdms柔性襯底上沉積一層10nm厚的ni基層薄膜作為導電軌跡層；步驟2：採用真空熱蒸發技術，在pa下蒸鍍0.5gga，在步驟1沉積了ni金屬基層的pdms襯底上沉積金屬ga薄膜，形成第一層；步驟3：將步驟2製備得到的柔性導電薄膜暴露於大氣中，目的是使步驟2製備的液態金屬層表面形成氧化層；步驟4：同樣採用真空熱蒸發技術，在pa 下蒸鍍0.5gga，在步驟3形成了表面氧化層的柔性薄膜表面沉積第二層液態金屬ga薄膜，製備得到柔性可拉伸導電薄膜。
18.對製得的導電薄膜進行電性能方面的測試，如圖2所示，發現可以通過調控蒸鍍ga層的數量來直接控制導電薄膜的薄層方阻，圖3顯示了具有不同數量ga層的導電薄膜的應變電阻響應，通過增加蒸鍍ga的層數，可有效改善導電薄膜在拉伸應變下的電學穩定性。
19.實施例2步驟1：在60
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40mm規格的pdms襯底上，採用光刻技術繪製圖案化電路，採用電子束沉積技術，在pa下，在pdms柔性襯底上蒸鍍一層10nm厚的ni基層薄膜作為導電軌跡層步驟2：採用真空熱蒸發技術，在pa下蒸鍍0.5gga，在步驟1沉積了ni金屬基層的柔性襯底上沉積金屬ga薄膜，形成第一層液態金屬層；步驟3：將步驟2製備得到的柔性薄膜暴露於大氣中，目的是使步驟2製備的液態金屬薄膜表面形成氧化層；步驟4：採用真空熱蒸發技術，在pa下蒸鍍0.5gga，在步驟3形成了表面氧化層的柔性薄膜表面沉積第二層液態金屬ga薄膜，製備得到柔性可拉伸導電線路。
20.在以上實例中，步驟3、4可以重複2~3次，形成多層液態金屬層，以得到具備更好力-電性能的柔性可拉伸導電薄膜/線路。