FUTURE | 远见 闵青云 选编
近期，浙江大学宋吉舟教授团队提出了一种基于镓（Ga）相变材料的新型转印策略。这种策略利用镓的相变特性，实现了高度可逆和可调的粘附力，展现出良好的适应性和可操作性。相关成果发表在Nature Communications上。
研究背景
随着柔性和可拉伸电子系统的发展，研究者们逐渐关注如何在复杂的表面上实现异质集成，以便于在生物医学、可穿戴设备和人机交互等领域的应用。这些系统的设计不仅要求具有优越的机械柔韧性，还需要实现与传统刚性电子设备相当的电气性能。这一目标的实现通常依赖于微纳米级无机材料的制造，而这些材料常常制备在硬质基片上，因此如何将脆弱的微纳米薄膜安全、可控地转移到软基片上，成为了关键问题。
转印技术作为一种新兴的异质集成制造技术，通过使用印章将无机材料转移到复杂曲面上，展现了良好的应用前景。然而，传统的转印技术在操作过程中容易对超薄膜造成损伤，尤其是在使用弹性印章时，印章接触力可能导致无机纳米薄膜的破裂和皱缩。为了应对这一挑战，研究者们提出了多种改进方法，例如化学结合、激光非接触驱动和温度响应等。然而，这些方法在应对超薄膜脆弱性及转印过程中的剪切应力时，仍然面临诸多限制。
研究内容
为了解决以上问题，浙江大学宋吉舟教授团队提出了一种基于镓（Ga）相变材料的新型转印策略。这种策略利用镓的相变特性，实现了高度可逆和可调的粘附力，展现出良好的适应性和可操作性。通过局部加热的方法（如激光或热板），镓的固态与液态之间的转变可以精确控制，使得在转印过程中既能提供温和的接触力，又能避免对脆弱薄膜的损伤。此外，固化后的镓印章还能够以强大的抓取力抓取各种形状的对象，从而提升了操作的灵活性和准确性。
本研究旨在解决现有转印技术中对脆弱超薄膜造成损伤的问题，采用了精确诱导的局部熔化技术（PLMT），通过对镓印章的流动性进行优化，提高了薄膜阵列的转印准确性并减少了镓液滴残留。这一技术的实施不仅提高了转印的可靠性，还为实现多种微纳功能薄膜的转印提供了新的解决方案，从而为开发高性能的非传统电子设备奠定了基础。
图文导读
本文通过使用INSTRON机械测试系统对金属镓印章和PDMS印章在硅膜上的预加载力和粘附性进行拉伸测试，揭示了这两种印章在微纳米制造过程中的粘附特性。通过对印章与硅膜接触过程中的力学性能进行定量分析，发现金属镓印章在预加载过程中表现出较高的粘附力，这为进一步的微纳米膜打印技术提供了基础。
针对镓印章的相变现象，通过激光瞬态加热过程的表征，作者观察到在30°C以上镓的固态可局部熔化，而完全熔化温度为86.2°C。结合近红外激光系统与光学监测系统，作者能够精准控制激光焦点与固态镓表面的对准，进而实现对镓印章的有效加热。这一微观机制的揭示，不仅优化了液态金属的使用效率，还减少了材料在打印过程中的滴落风险，挖掘出镓印章在微纳米制造中的潜在优势。
在此基础上，本文通过多种表征手段对制备的超薄硅纳米膜阵列进行了详细分析。结果表明，经过不同厚度的硅板（如10 μm、5 μm和2 μm）制备，能够实现与多种接收基底（如聚酰亚胺、硅、玻璃和铜）的良好结合，且其最大吸引范德华力分别超过15.01 kPa、12.20 kPa、4.53 kPa和12.41 kPa，显示出新型材料的优越性能，着重研究了硅膜的结构特性与其粘附性之间的关系。
总之，经过上述表征，作者深入分析了金属镓印章在微纳米打印中的应用机制，进而成功制备出一种新型的超薄硅纳米膜材料。这一进展不仅推动了液态金属和硅基材料在电子器件和传感器领域的应用，亦为未来的微型电子设备的发展奠定了基础，展示了新材料在柔性传感器阵列中的巨大潜力。通过系统的实验和表征，作者的研究为材料科学领域的进一步探索提供了新的视角和思路，助力新型功能材料的研发与应用。
图1 | PLMT拾取和印刷过程的示意图。
图2 | 相变镓（Ga）印章的特性。
图3 | 将Si膜转印到各种表面的演示。
图4 | 将转印功能装置演示至各种表面。
图5 | 3D任意形状物体的操作。
结论展望
本文的研究为转印技术在微纳米薄膜的应用提供了新的视角和启示。通过利用镓的相变特性，研究者们成功地解决了传统转印技术中脆弱薄膜损伤的问题，这不仅提升了转印过程的可靠性，还实现了高效的异质集成。这种基于局部熔化的镓印章技术，展现了在复杂表面上进行微纳米材料转移的新可能性，尤其是在可穿戴电子设备和生物医学传感器等领域。
此外，研究强调了材料相变在可调粘附力方面的重要性，表明不同状态下材料的流动性和接触力可以显著影响转印效果。这一发现为后续研究提供了基础，鼓励科学家们探索其他相变材料在转印技术中的应用潜力，推动柔性电子技术的发展。同时，该研究也展示了精确控制和操作的重要性，为未来开发更加高效和环保的制造工艺指明了方向。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53184-7
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