多功能、可重构、集成液态金属可拉伸传感器最新综述
文摘
2024-05-29 11:02
上海
镓(Ga)和镓基液态金属(LMs)将良好的导电性和流动性与生物相容性和室温下的相变结合在一起，为生物传感、能量收集、电路、有源开关和生物医学提供了独特的应用机会。常见的可拉伸导体通常依赖于使用可拉伸结构(如岛桥、蛇形或带有导电纳米填料的可拉伸材料(如石墨烯、炭黑、碳纳米管、金属纳米颗粒/纳米线/纳米盘和 MXene)。与它们相比，基于 LMPs 的器件具有更高的可拉伸性和应变敏感导电性，可在剧烈变形条件下使用。由于高反应性，LMs 表面会在环境中形成厚度有限的氧化层。氧化层的存在对LMs 的机械和流变特性有着深远的影响，包括刚度、润湿性、粘度以及与其他材料的相互作用都会得到改善。对LMs 及其氧化层内在特性的基础研究为LMs的进一步改性和优化奠定了坚实的基础。事实证明，对LMPs或LM 颗粒(LMPs)进行表面改性是控制氧化程度、提高分散稳定性和负载药物的有效方法。加入聚合物还能使LMs具有更强的光吸收和光热特性。由于 LM 的表面张力很高，传统的钢网或丝网印刷并不适用。制作高分辨率LM 图案已成为基于 LM 的电子学领域的主要挑战。利用自支撑氧化层可以直接打印 LM，形成复杂的三维结构。例如，剧烈搅拌原始笨重的LM 可改变其流变性，并由于累积的氧化作用而形成易于使用的糊状物，从而可简单地应用于铝基生物医学设备。直接与微流控技术相结合，还能为低成本、高集成度和多功能可拉伸系统提供简单的LM 图形。最近开发的 LM 图形化技术包括用金属或金属氧化物微颗粒修饰LM 以形成可打印的糊状物，引入金属种子分层以实现选择性润湿，或将 LM 分解以形成可打印的 LM 颗粒(LMP)。其中，LMPs 因其在基于 LM 的可拉伸电子器件中的低成本和可扩展生产潜力而备受关注。尽管具有上述优点，但LMP的氧化层本质上是绝缘的，会阻断导电通路。为了规避这一问题，人们提出了两种主要策略：通过化学修饰使绝缘氧化层导电，或(通过机械、热或激光活化)使氧化层破裂以暴露内部LM。在表面改性或界面润湿后可通过注塑印刷、模板印刷或刀片涂层，在各种弹性基底上对 LM 进行图案化。LM 图形的空间分辨率从注射印刷的数百微米到光刻技术的数微米不等。在用于人体的应用中，需要特别考虑粘附性和气体渗透性等因素。良好的粘附性可形成亲密的界面，而气体渗透性则可提高高保真和长期监测生理信号的舒适度，同时避免刺激或感染。考虑到 LM 对人体皮肤的附着力较低，人们将LMPs与特定聚合物混合形成粘合油墨，或在粘合基底上构建 LM 图案，以提高基于LM 的电子器件的附着力。皮肤电子器件的高透气性要求使用多孔基底，这种基底可以通过模板、电纺丝或相分离法制造。然而，多孔基底中的微结构会降低 LM 的润湿性，不利于 LM 的图案化。同时LM 泄漏可能会降低基于LM 的电子器件的性能。镓基液态金属(LMs)具有传统上与其他天然或合成材料相矛盾的独特特性组合，它像液体一样具有低机械刚度和流动性，像金属一样具有良好的导电性和导热性，还具有良好的生物相容性和室温相变性。这些出色的特性为开发新型可重构或可拉伸电子器件和设备铺平了道路。尽管 LMs具有这些出色的性能，但其易氧化、高表面张力和低流变粘度的特性也给高分辨率图案化带来了严峻的挑战。为了应对这一挑战，人们采用了各种表面改性或添加剂来调整 LM 的氧化状态、粘度和图案化能力。一种有效的 LM 图形化方法是将 LM 分解成称为液态金属颗粒(LMPs)的微颗粒。这有利于使用传统技术(如板、丝网或喷墨打印)对LM 进行图案化。精心配制的光固化 LMP 油墨或引入粘合剂种子层，再结合改良的升离工艺，可进一步提供微米级的 LM 图形。在基于 LM 的电子器件中加入多孔和粘合基底，百以直接与皮肤连接，从而实现对生理信号的长期稳健监测。与基底或复合材料形式的自愈合聚合物相结合，基于LM 的电子器件可以提供机械稳健的设备，在损坏后愈合，以便在恶劣的环境中工作。本综述介绍了基于LM 的复合材料的最新进展、制造方法及其在可拉伸或可重构传感器和由此产生的集成系统中的新颖独特应用。我们认为，基于LM 的材料制备和高分辨率技术的进步为基于 LM 的可拉伸传感器的定制设计以及多功能、可重构、高度集成甚至独立系统的开发提供了机会。电子科技大学的林媛教授团队联合宾州州立大学Huanyu Cheng团队以“Recent progress in multifunctional, reconfigurable, integrated liquid metal-based stretchable sensors and standalone systems”为题发表在Progress in Materials Science期刊上。Fig. 1. Overview of the liquid metal (LM)-based bioelectronics.Fig. 2. Surface modification of Ga-based LMs.Fig. 3. Overview of composite patterning techniques based on LMs.Fig. 4. Patterning of pristine LMs.本综述总结了镓基 LMs 的内在物理/化学特性以及在生物传感器、可重构器件、储能器件和高度集成的独立可拉伸电子系统中的独特应用。具有高表面张力的氧化层会影响 LMs 的润湿性，同时也给精确图案化带来了挑战。人们尝试用共轭表面活性剂和聚合物进行各种表面改性，以定制 LMs的反应性、图案化能力、粘附性甚至光学吸收性，从而将其应用于生物医学领域。液态侧的室温相变和良好流动性与金属侧的卓越导热性和导电性相结合，为基于LMs 的可拉伸电子器件提供了前所未有的独特机械、电磁、电、热和光学特性。LMs的应变弹性机电特性确保了即使在严重变形的情况下也能保持稳定的连接,而具有可调机械特性的结构工程和相变也能提高其机电响应，从而实现应变传感。对多孔基底和粘合基底的探索极大地扩展了基于 LM 的电子器件的应用范围，使其可以长期贴面使用。1.用于高分辨率 LM 图形的亚微米级 LMP 的机械、物理和化学特性在可拉伸基底上对 LM 进行精确图案化的技术包括传统的微通道和直接印刷方法(即喷墨钢网或丝网印刷)、转印以及使用预图案化金属种子层，其空间分辨率不断提高。迄今为止，基于金属种子层的LM 高分辨率图案化依赖于复杂的蚀刻工艺，而且只适用于特定的可拉伸弹性基底。要在亚微米尺度上实现高空间分辨率图案化必须深入了解 LMS和 LMPS 的物理化学和机械特性，以及它们与支撑弹性基底的相互作用(图 12a)。同时，有必要探索亚微米级 LMP 的机械特性及其与各种弹性基底的相互作用,特别是那些具有强粘附性和高孔隙率的基底，以实现高分辨率LM 图形。虽然 LM 的机电特性已被推向应变不敏感和应变弹性，但可拉伸电子设备通常需要在同系统中结合这两种单元。然而，两种单元异质结合的可拉伸系统很容易因界面不匹配而导致电气故障，因此，利用具有不同机电特性的LM 复合材料的同质结合来实现全LM 可拉伸系统是可取的。在全铝纳瓦可拉伸传感器中，低应变响应区负责与外部数据采集单元的稳定电气连接，而高应变响应区则负责目标位置的机械传感。至于LM，其电气和机电特性往往由制造工艺预先决定(通常互不兼容)。因此，为全LM 电子器件开发一种具有可控机电特性的 LM 的通用制造方法至关重要。在最近的一项研究中，对 LMP/硅树脂弹性体复合材料进行喷墨打印，可通过改变打印速度对其电子和机电特性进行按需编程。研究发现，随着打印速度的提高，LMP的微观结构会从球形演变为针状，从而使整个打印部件从绝缘体过渡到导电体。然而，在这项工作中，喷墨打印的空间分辨率仅为~1毫米。为了探索高分辨率打印，值得研究尺寸更小的 LMP 的机械性能及其与复合墨水中聚合物前体的相互作用。尽管 LM 的制备和加工技术有了长足的发展，但LM 与商用芯片(用于扩展多功能性)之间的互连仍是基于LM 的电子器件的瓶颈。与在传统PCB或FPCB 中高精度焊接芯片不同，基于LM 的电子器件的集成主要基于物理接触。因此，需要在连接点进行额外封装，以避免机械变形造成故障。同时，LM 的流动性严重限制了全LM 可拉伸电子器件的集成密度。为了规避这些问题，我们采用基于LM 的焊膏来焊接带有LM 图案的商用芯片。例如，一种原位焊接策略利用了由 LMP 和压敏胶组成的粘性导电复合材料。由外部磁场激活的基于LM 的各向同性导体也能与商用芯片简单集成。在最近的另一项研究中，利用苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物(SIS)在基于 LM 的复合油墨和基底中的聚合物-凝胶转变，一步即可实现自焊接和封装。暴露在溶剂(如甲苯)蒸汽中时，SIS 会从聚合物状态转变为凝胶状态，然后在室温下固化，商业芯片下沉后与LM 图案连接，从而封装和保护界面。不过，这种策略只适用于与LM 兼容并在溶剂蒸发诱导下呈现聚合物-凝胶转变的特定聚合物。此外，L 的高精度图案技术(如光刻和EBL)在材料系统方面与焊接工艺不兼容。因此，仍需在 LM 复合材料的制备和集成方面进行创新，以应对这一挑战。Recent progress in multifunctional, reconfigurable, integrated liquid metal-based stretchable sensors and standalone systemshttps://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101228
