研究背景
隨著軟電子學(xué)、光電子學(xué)、生物電子學(xué)和能源設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，高性能柔性和可拉伸設(shè)備成為了研究的熱點(diǎn)。這些設(shè)備通常具有超薄、輕質(zhì)和機(jī)械可變形的特性，適合于不同的應(yīng)用場景，如皮膚貼合設(shè)備、植入式醫(yī)療器械以及多功能三維形狀的電子設(shè)備。然而，這些高性能設(shè)備的制造過程面臨多重挑戰(zhàn)。其中一個(gè)關(guān)鍵問題是，許多高質(zhì)量的電子材料（如晶體結(jié)構(gòu)和精確的電學(xué)性質(zhì)控制）通常需要在高溫條件下合成或加工。這限制了它們在柔性或可拉伸基板上的直接應(yīng)用，因?yàn)檫@些基板無法承受高溫處理的影響。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)雖然能夠?qū)⑦@些高質(zhì)量材料從剛性母基板轉(zhuǎn)移到軟性目標(biāo)基板上，但卻存在著化學(xué)損傷、薄膜損傷以及在高溫處理過程中的困難等問題。因此，迫切需要一種新的轉(zhuǎn)移印刷過程，以克服這些障礙并實(shí)現(xiàn)高性能柔性電子器件的商業(yè)化應(yīng)用。針對這一問題，韓國浦項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)研究所Dae-Hyeong Kim 、 Sangkyu Lee以及釜山大學(xué)Ji Hoon Kim等教授攜手在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Damage-free dry transfer method using stress engineering for high-performance flexible two- and three-dimensional electronics”的最新論文。本研究成功開發(fā)了一種簡便、多功能且無損傷的轉(zhuǎn)移印刷策略，為制造高性能柔性和可拉伸電子器件提供了新的解決方案。通過應(yīng)力工程的方法，科學(xué)家們克服了傳統(tǒng)濕法蝕刻過程中可能引起的化學(xué)損傷和薄膜機(jī)械斷裂的問題。具體來說，他們通過調(diào)整直流磁控濺射的參數(shù)，精確控制了沉積薄膜中的應(yīng)力分布，從而確保了薄膜在轉(zhuǎn)移過程中的完整性和穩(wěn)定性。這種方法不僅適用于轉(zhuǎn)移金屬薄膜，還能成功地轉(zhuǎn)移經(jīng)高溫氧化處理的氧化物薄膜，擴(kuò)展了其在多種功能性器件中的應(yīng)用潛力。
科學(xué)亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次提出了一種無損傷干式轉(zhuǎn)移印刷策略，通過應(yīng)力控制來釋放沉積薄膜。這種策略使用直流磁控濺射沉積了應(yīng)力控制金屬雙層薄膜，并通過機(jī)械彎曲增加了薄膜的總應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量薄膜的可靠轉(zhuǎn)移。（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)控直流磁控濺射的參數(shù)能有效地控制沉積薄膜中的應(yīng)力分布。機(jī)械彎曲作用下，薄膜釋放的應(yīng)變能釋放速率超過了薄膜與基板之間的界面韌性，確保了薄膜的完整轉(zhuǎn)移。（3）這一策略不僅成功地將金屬薄膜轉(zhuǎn)移到柔性或可拉伸的基板上，還能夠處理經(jīng)過高溫氧化處理的氧化物薄膜，而不引起原子擴(kuò)散。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)二維柔性電子器件和復(fù)雜的三維多功能器件的制造。
圖文解讀
圖1：基于應(yīng)力工程，無損傷干式轉(zhuǎn)印的概念。圖3. 各種2D Pt薄膜的轉(zhuǎn)移及其向3D結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。 圖 4. 具有2D/3D混合結(jié)構(gòu)的集成傳感器陣列演示。圖 5. 具有轉(zhuǎn)移LiCoO2薄膜的柔性薄膜電池thin-film battery，TFB制造。
科學(xué)啟迪
以上文章展示了通過應(yīng)力工程控制的新型干式轉(zhuǎn)移印刷工藝，對制備高質(zhì)量薄膜和發(fā)展高性能軟電子設(shè)備具有重要的作用。首先，通過調(diào)節(jié)直流磁控濺射參數(shù)，精確控制雙層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平和梯度，從而實(shí)現(xiàn)薄膜的精確沉積和穩(wěn)定性增強(qiáng)。其次，采用外向彎曲變形的策略，有效提升了薄膜與基板之間的應(yīng)變能釋放速率，實(shí)現(xiàn)了可靠的薄膜剝離，避免了傳統(tǒng)濕法蝕刻過程中可能導(dǎo)致的化學(xué)損傷和機(jī)械損傷。這種創(chuàng)新方法不僅適用于轉(zhuǎn)移金屬薄膜，還能處理高溫條件下處理過的薄膜，擴(kuò)展了其在柔性和可拉伸基板上的應(yīng)用潛力。 最重要的是，這一技術(shù)為制造二維柔性/可拉伸電子器件以及復(fù)雜的三維多功能結(jié)構(gòu)提供了新的途徑和可能性，推動了柔性電子學(xué)和多功能器件領(lǐng)域的進(jìn)步和創(chuàng)新。通過深入理解和應(yīng)用應(yīng)力控制的機(jī)制，未來可以進(jìn)一步優(yōu)化和拓展這一干式轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)，為各種應(yīng)用場景下的高性能電子設(shè)備提供更加可靠和可持續(xù)的制造方法。Shin, Y., Hong, S., Hur, Y.C. et al. Damage-free dry transfer method using stress engineering for high-performance flexible two- and three-dimensional electronics. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01931-y
