液態(tài)金屬印刷電子學：從概念提出到工業(yè)化發(fā)展歷程

作者 | 陳森、劉靜
來源 | 中科院理化所

近期，中科院理化所液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學研究中心應(yīng)Cell旗下期刊iScience之邀，發(fā)表了題為“Pervasive liquid metal printed electronics: From concept incubation to industry (10.1016/j.isci.2020.102026)”的展望文章，評述了液態(tài)金屬印刷電子學從概念提出到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的歷程，總結(jié)了這一新興領(lǐng)域有里程碑意義的核心材料、打印技術(shù)與代表性裝備，剖析了制約產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素并予以展望。文章第一作者為博士生陳森，通訊作者為劉靜研究員。

眾所周知，人類對技術(shù)的終極追求就是制造一切，這其中的關(guān)鍵在于功能制造，而電子器件又首當其沖，可以說在現(xiàn)代文明中扮演了至關(guān)重要的作用。迄今已有的電子制造方法大多昂貴、耗時、耗材及耗能，不易實現(xiàn)個性化和普及化。

圖1. 未來可望無處不在的普惠型液態(tài)金屬印刷電子

正是在這樣的背景下，中科院理化所于2010年前后開創(chuàng)性提出了具有領(lǐng)域突破性意義的液態(tài)金屬印刷電子學思想（圖1），相繼發(fā)明了一系列全新概念的制造裝備和電子材料，建立了有關(guān)基本原理和方法（圖2），申請了一批底層核心技術(shù)專利，出版了均為國內(nèi)外首部的前沿著作：《液態(tài)金屬印刷電子學》、《液態(tài)金屬3D打印技術(shù)：從原理到應(yīng)用》以及《中國液態(tài)金屬工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告：一個全新工業(yè)的崛起》等，推動了一批工業(yè)化成果的驗證乃至規(guī)�；�市場產(chǎn)品的應(yīng)用，有關(guān)成果一經(jīng)問世便持續(xù)引發(fā)國內(nèi)外業(yè)界廣泛重視。

圖2. 液態(tài)金屬印刷電子學代表性典型材料、技術(shù)及裝備

時至今日，全球范圍內(nèi)液態(tài)金屬印刷電子學的研發(fā)態(tài)勢已是此起彼伏，大量學術(shù)論文短時間內(nèi)呈爆發(fā)式增長，彰顯了一個新興領(lǐng)域的興盛和繁榮�？偟恼f來，這一全新的電子制造模式，打破了傳統(tǒng)技術(shù)的瓶頸和壁壘，使得在低成本下快速、隨意地制作個性化電子電路特別是柔性功能器件成為現(xiàn)實，預示著一個人人觸手可及的電子制造時代的到來，一個普惠型電子工程學產(chǎn)業(yè)也得以應(yīng)運而生。

然而，液態(tài)金屬印刷電子學從起初的萌芽到最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，卻是一個頗為漫長的過程。其最早醞釀可追溯至本世紀初，當時，中科院理化所科研人員在嘗試采用液態(tài)金屬冷卻計算機芯片時發(fā)現(xiàn)，不經(jīng)意間飛濺到電腦屏幕上的金屬液滴很難被擦拭干凈，這一體驗并不讓人感到愉悅。然而隨著時間的推移，正如不少科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明均源于偶然事件一樣，這種液態(tài)金屬可在室溫下沉積于特定基底的現(xiàn)象啟發(fā)了科學家將其用于電路印刷，不過由于缺乏先例，團隊僅在液態(tài)金屬涂敷問題的摸索上，就花費了多年時間，直至隨著關(guān)鍵性潤濕機理的揭示和認識，才迎來了從材料到系統(tǒng)乃至應(yīng)用技術(shù)的突破。

其中的一些標志性進展如：液態(tài)金屬印刷電子學與夢之墨概念的系統(tǒng)論述(Zhang et al., Frontiers in Energy, 6: 311-340, 2012)、紙上可印刷式溫度傳感器(Li et al, Applied Physics Letters, 101: 073511, 2012)、柔性電路直寫技術(shù)(Gao et al., PLoS ONE,7: e45485, 2012)、皮膚電子直寫技術(shù)(Yu et al., PLoS ONE, 8: e58771, 2013)、透明導電薄膜技術(shù)(Mei et al., Applied Physics Letters, 102: 041509, 2013)、液態(tài)金屬3D混合電子打印方法與裝備(Zheng et al., Scientific Report, 3: 1786, 2013)、可在任意表面制造電子的液態(tài)金屬霧化噴墨打印技術(shù)(Zhang et al., Appl. Phys. A., 116: 1091-1097, 2014)、世界首臺液態(tài)金屬電子電路打印機的發(fā)明及研制(Zheng et al., Sci. Rep., 4: 4588, 2014)、液態(tài)金屬液相3D打印(Science China Tech. Sci., 57: 1721-1728, 2014)、液態(tài)金屬懸浮3D打印(Adv. Mater. Technol., 1700173, 2017)、液態(tài)金屬雙轉(zhuǎn)印技術(shù)(Wang et al., Advanced Materials, 27: 7109-7116, 2015)、秒級制造電路的液態(tài)金屬智慧印刷技術(shù)(Science China Materials, 62: 982-994, 2019)、液態(tài)金屬薄膜晶體管與集成電路全打印(Science China Info. Sciences, 62: 202403, 2019)、液態(tài)金屬二維半導體材料與器件直接印刷(Physica Status Solidi-Rapid Research Letters, 13: 1900271, 2019)等。

上述許多工作由于鮮明的首創(chuàng)性，一經(jīng)發(fā)表就在國內(nèi)外引發(fā)較大反響，受到諸多國際知名科學雜志、新聞或?qū)�業(yè)網(wǎng)站如MIT Technology Review、IEEE Spectrum、ASME Today、Phys.org、Chemistry World、National Geographic、Asian Scientist Magazine、Geek、Desktop Engineering、Discover、CCTV、Fox News等的專題報道。業(yè)界普遍認為，“找到了室溫下直接制造電子的方法，就意味著打開了極為廣闊的應(yīng)用空間乃至通過家用打印機制造電子器件的大門”。

圖3. 以蝴蝶翅膀形狀隱喻液態(tài)金屬印刷電子產(chǎn)業(yè)的騰飛情形

有關(guān)成果先后入圍2014兩院院士評選中國十大科技進展新聞、美國科技界創(chuàng)新奧斯卡2015 R&D 100 Awards Finalists、2015中關(guān)村十大科技創(chuàng)新成果、2016美國《Popular Science》(中文版)全球100項最佳科技創(chuàng)新獎、2019中國科學院科技成果在京轉(zhuǎn)化先進團隊特等獎等。隨著一系列市場產(chǎn)品如液態(tài)金屬電子手寫筆、液態(tài)金屬電子墨水、液態(tài)金屬桌面電子電路打印機、液態(tài)金屬智慧印刷設(shè)備、液態(tài)金屬3D打印設(shè)備以及諸多液態(tài)金屬功能器件的陸續(xù)問世，液態(tài)金屬印刷電子產(chǎn)業(yè)就如圖3所示那樣得以插上騰飛的翅膀，有關(guān)應(yīng)用陸續(xù)進入社會的方方面面（圖4），正在改變著人們的生產(chǎn)生活方式。

圖4. 液態(tài)金屬印刷電子學技術(shù)的典型應(yīng)用場景

在此篇展望文章中，作者們還特別對影響和制約液態(tài)金屬印刷電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素進行了剖析和提煉，繪制出如圖5所示的旨在反映這一領(lǐng)域從概念孕育到工業(yè)化實踐的路徑發(fā)展曲線，揭示了產(chǎn)業(yè)推進中必不可少的波動性和漸進式特點，指出學術(shù)界、工業(yè)界乃至社會各界有必要對此規(guī)律予以明晰洞察，以便既能理性看待新產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長特點，也能坦然面對間或出現(xiàn)的困境和挫折，從而對新興領(lǐng)域保持樂觀進取的態(tài)度，乃至成為新產(chǎn)業(yè)的助力者和推動者。

比如，液態(tài)金屬印刷電子自提出以來，首先經(jīng)歷了一個原始創(chuàng)新密集涌現(xiàn)的技術(shù)萌發(fā)期(Innovation Trigger)，此階段同時吸引了大量的公眾關(guān)注。隨著關(guān)注達到頂峰，工業(yè)化階段迎來“期望之巔”（Peak of Inflated Expectations），此時人們對于產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)速度有著超乎尋常的期待。然而由于不可預見且難以避免的問題，液態(tài)金屬印刷電子產(chǎn)業(yè)化之路并非一帆風順，這種期待的落空會引發(fā)公眾的關(guān)注度轉(zhuǎn)而降低，從而導致工業(yè)化階段進入“幻滅低谷期”（Trough of Disillusionment）。此階段是對新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要考驗，許多新興企業(yè)都折戟于此。

值得指出的是，液態(tài)金屬印刷電子技術(shù)因其所見即所得的獨特優(yōu)勢而在教育市場上始終受到關(guān)注和認可，這為其后產(chǎn)業(yè)化的穩(wěn)定增長提供了有力支持。隨著研究不斷推進、產(chǎn)業(yè)化得到驗證以及新產(chǎn)線的建立，液態(tài)金屬印刷電子獲得了長足發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化進入“復蘇期”（Slope of Enlightenment）。未來，有理由相信隨著技術(shù)的持續(xù)成熟和殺手級產(chǎn)品的不斷應(yīng)用，這一領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化還將迎來輝煌的“高峰期”（Plateau of Productivity）。

圖5. 液態(tài)金屬印刷電子及產(chǎn)業(yè)從概念孕育到工業(yè)化實踐的發(fā)展路徑

此次受邀于iScience就“液態(tài)金屬印刷電子”發(fā)表前瞻性展望，反映了國際學術(shù)界對中科院理化所及其合作團隊開創(chuàng)性工作的認可。此篇前瞻性評述的發(fā)表，可望及時有效的推動相應(yīng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用的繁榮，從而引導產(chǎn)業(yè)化持續(xù)穩(wěn)步健康發(fā)展。

以上研究得到國家自然科學重點基金、中國科學院院長基金及前沿項目等支持。

這個不錯啊。液態(tài)金屬應(yīng)用領(lǐng)域之前一點不懂