研究背景
隨著電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，金屬氧化物薄膜因其在透明導(dǎo)體、氣體傳感器、半導(dǎo)體、絕緣體及鈍化層等方面的重要性，受到越來越多的關(guān)注。金屬氧化物薄膜的優(yōu)良性能使其在現(xiàn)代電子設(shè)備中扮演了關(guān)鍵角色。然而，傳統(tǒng)的氧化物薄膜沉積方法，如溶液法、化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積，存在一些問題。溶液法雖然可以實(shí)現(xiàn)大面積沉積，但形成致密膜時(shí)挑戰(zhàn)重重，且通常需要高溫?zé)崽幚怼庀喑练e能夠提供高純度的氧化物薄膜，但其有害化學(xué)前驅(qū)體和真空處理需求也帶來了缺點(diǎn)。因此，尋找一種簡單、高效、能夠在大面積上沉積致密高純度氧化物薄膜的替代方法顯得尤為重要。針對這些問題，近年來的研究嘗試了通過分離金屬表面的本征氧化物層來直接生產(chǎn)高純度氧化物薄膜。由于本征氧化物通常很薄且形成迅速，它們成為了研究的重點(diǎn)。例如，低熔點(diǎn)金屬鎵在幾乎瞬間形成薄氧化物膜，研究者們也探索了多種方法來去除金屬表面氧化物，如將液態(tài)金屬與基底接觸或在基底上涂抹液態(tài)金屬。然而，這些方法大多依賴于批量處理，并且常常留下需要機(jī)械去除的液體殘留物，影響膜的質(zhì)量。為了解決這些問題，美國北卡羅來納州立大學(xué)Michael Dickey教授聯(lián)合韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)Unyong Jeong教授合作在“Science”期刊上發(fā)表了題為“Ambient printing of native oxides for ultrathin transparent flexible circuit boards”的最新論文。科學(xué)家們提出了一種新的打印方法，通過移動(dòng)充滿液態(tài)金屬的打印頭，在室溫條件下連續(xù)打印大面積均勻的本征氧化物薄膜。這種方法利用了液態(tài)金屬的脫濕行為，通過液體不穩(wěn)定性，使氧化物從金屬中自發(fā)分離，形成均勻的雙層氧化物薄膜，而不會(huì)留下液體殘留。通過這種方法，研究者們成功地在室溫下打印了超薄（<10納米）的金屬氧化物膜，并進(jìn)一步在其上蒸發(fā)微量金屬（如Au或Cu），穩(wěn)定了薄膜的導(dǎo)電性。這些金屬裝飾的氧化物薄膜不僅具有優(yōu)異的透明性，還表現(xiàn)出卓越的電氣導(dǎo)電性和熱學(xué)/機(jī)械穩(wěn)定性。該方法的突破性在于可以在大面積上打印出耐用且性能良好的導(dǎo)電薄膜，具有廣泛的應(yīng)用前景，包括透明導(dǎo)體、柔性電路、屏障涂層、光電材料以及憶阻器等領(lǐng)域。
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次使用熔融金屬的脫濕行為，在室溫條件下成功打印出大面積且均勻的超薄（<10納米）本征氧化物薄膜。該方法通過在目標(biāo)基底上移動(dòng)充滿熔融金屬的打印頭，使金屬彎月面發(fā)生液體不穩(wěn)定性，進(jìn)而將氧化物從金屬中輕柔地分離出來，形成無液體殘留的均勻薄膜。2. 實(shí)驗(yàn)通過將金屬氧化物膜的金屬特性與蒸發(fā)金的潤濕性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)電性薄膜的制備。由于打印的氧化物膜具有金屬間層，使得蒸發(fā)金能夠有效潤濕薄膜，而非在傳統(tǒng)氧化物表面形成不連續(xù)的島嶼。最終，獲得的超薄導(dǎo)體可以被制成透明的、機(jī)械強(qiáng)度高且電氣穩(wěn)定的柔性電路，這些電路在高溫下也能保持良好性能。
圖文解讀
圖1： 使用液態(tài)金屬的原生氧化物打印工藝。 圖3：用于超薄透明柔性電路板的原生氧化物環(huán)境印刷。
總結(jié)展望
本文的研究提供了一個(gè)創(chuàng)新的思路，展示了在室溫條件下，通過利用熔融金屬彎月面的液體不穩(wěn)定性，連續(xù)打印大面積均勻的本征超薄氧化物薄膜。這種方法不僅克服了傳統(tǒng)高溫真空沉積工藝的局限，還實(shí)現(xiàn)了在常溫下的大面積氧化物薄膜生產(chǎn)。其核心科學(xué)啟迪在于利用金屬的脫濕行為，將金屬與氧化物分離，形成均勻的氧化物層，并且避免了液體殘留的問題。這種新方法所獲得的薄膜具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和透明性，同時(shí)能夠穩(wěn)定地在高溫下保持良好的電氣和機(jī)械性能。此外，打印的氧化物膜具備金屬特性，使得微量蒸發(fā)金（如金）能夠有效地潤濕膜面，從而避免了在傳統(tǒng)氧化物表面形成的金屬島嶼現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)不僅推動(dòng)了柔性電路的應(yīng)用，還為透明導(dǎo)體、屏障涂層、光電材料和憶阻器等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步提供了新的解決方案。這種方法的普適性和高效性為未來電子器件的制造開辟了新的路徑，具有重要的科學(xué)和工程應(yīng)用價(jià)值。Minsik Kong et al. ,Ambient printing of native oxides for ultrathin transparent flexible circuit boards.Science385,731-737(2024).DOI:10.1126/science.adp3299
