《AFM》清華大學(xué)馮雪馬寅佶：液滴印章轉(zhuǎn)移打印

來源：高分子材料科學(xué)與工程

盡管柔性電子在信息、能源和醫(yī)療方面的作用越來越重要，但它們與異形接口的集成仍然是一個懸而未決的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移方式作為器件集成的核心技術(shù)，仍然不適用于薄型芯片和3D傳感器。固體接觸式彈性體印章有時會產(chǎn)生裂紋，而犧牲層法等非接觸式方法無法實現(xiàn)精確定位轉(zhuǎn)移。在此，清華大學(xué)團隊提出了具有高良率的液滴印章轉(zhuǎn)移打印 (LSTP)，它可將柔性器件從硅晶片轉(zhuǎn)移到復(fù)雜的異形界面。按照轉(zhuǎn)移方案，用不同的薄膜圖案可調(diào)節(jié)界面力。此外，液滴印章被設(shè)計為一種有效的工具來轉(zhuǎn)移變薄的無機柔性芯片，以此制造一種廣泛應(yīng)用于柔性電路大規(guī)模制造的減薄微型發(fā)光二極管。作者還提出了一種利用液滴印模制造3D傳感器的方法，為制造可穿戴天線和可重構(gòu)設(shè)備提供了一種新方法。因此，LSTP 在未來復(fù)雜和系統(tǒng)級柔性設(shè)備轉(zhuǎn)移打印方面具有巨大潛力，并在3D柔性電子學(xué)的研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

液滴印章轉(zhuǎn)移打印工藝

LSTP的運行流程如圖1所示。作者使用的薄膜是在硅片上制造的，支撐基板是旋涂聚酰亞胺 (PI, 8.5 μm)。在保持層的頂部是通過PVD、光刻和濕蝕刻等工藝制造的功能材料。親水橡膠毛細(xì)管用作手柄來控制液滴的體積。LSTP的過程包括四個主要步驟：界面力控制、拾取、打印和蒸發(fā)。無機柔性薄膜制作完成后，薄膜與硅片緊密貼合。在力控制步驟中，通過調(diào)節(jié)液體體積來控制轉(zhuǎn)移手柄和薄膜界面之間的接觸力。微滴接觸薄膜并充當(dāng)液體印章，在管和薄膜之間形成液橋。然后，隨著接觸手柄的抬起，薄膜器件逐漸從硅基板上脫離，完成拾取過程。在打印過程中，在軟基板的頂部重復(fù)力控制過程，以減弱液體印章與薄膜之間的接觸力，從而通過范德華力將器件打印到軟基板上，少量液滴留在薄膜表面。最后，薄膜在蒸發(fā)過程后與軟基板牢固接觸。

圖1，LSTP的傳輸過程。a) 在硅片上制造的具有微結(jié)構(gòu)的薄膜。b) 通過液滴體積調(diào)節(jié)界面附著力。c) 在管子和薄膜之間形成液橋。d) 提貨過程。e) 減弱界面附著力，將薄膜打印到柔軟的基材上。f) 液滴蒸發(fā)后殘留在薄膜上，柔性薄膜與軟質(zhì)基材緊密接觸。

薄型柔性芯片轉(zhuǎn)移打印

作者將減薄后的器件放置在PMDS襯底上作為供體襯底，并在其上進(jìn)行轉(zhuǎn)移實驗和傳統(tǒng)方法。發(fā)光二極管 (LED) 芯片的厚度為30μm。圖4a顯示了印章-芯片接口的結(jié)構(gòu)，頂部印章由PDMS制成，并將LED 芯片放置在基板上。在傳統(tǒng)工藝中，作者使用印章將 LED 芯片剝離并將其轉(zhuǎn)移到PDMS基板上。接觸界面如圖4b所示，LED緊緊包裹在彈性印章和 PDMS表面之間。轉(zhuǎn)移后，LED壞了（圖4c）。圖 4d為液態(tài)印章-芯片接口結(jié)構(gòu)圖，且LED 成功轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上。在蒸發(fā)過程之后，該裝置緊緊地附著在 PDMS上。設(shè)備功能是評價轉(zhuǎn)印成功率的重要指標(biāo)。LED 照明實驗證明器件性能的穩(wěn)定性和變化性（圖4g,h）。

圖4，薄型柔性 LED 的轉(zhuǎn)移打印。

液印轉(zhuǎn)移法制作的3D可重構(gòu)天線

圖5展示了天線的異形傳遞過程。光刻和蝕刻后，在硅片上制作螺旋天線（圖5a）。然后使用液體印章將螺旋天線轉(zhuǎn)移到錐面。液態(tài)印章的結(jié)構(gòu)如圖5b所示，轉(zhuǎn)印結(jié)果如圖5c所示。天線與錐形表面完美貼合。作者模擬了傳輸前后天線的諧振頻率和輻射模式。在傳輸前后天線在垂直于中心軸的方向上有很好的實現(xiàn)增益（圖5d,e）。該天線在3D結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)上均具有7.5dB以上的良好性能。同時，帶寬窄的特點極大地限制了螺旋天線的應(yīng)用范圍。結(jié)果表明，傳輸后天線帶寬增加了74.4%，這對頻率可重構(gòu)天線具有重要意義。隨著對 3D天線制造的探索，作者提出了通過 LSTP 方法進(jìn)行大規(guī)模制造的可能性。有了這種方法，就可以使用行業(yè)內(nèi)較為穩(wěn)定的平面加工方式來制造復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。它不僅節(jié)省了資源，而且提供了一種高度可控的制造新方式。此外，該設(shè)計還為 3D 柔性電子的研究提供了重要的制造方法。

圖5，通過液態(tài)印章轉(zhuǎn)移方法制造的 3D 可重構(gòu)天線。

相關(guān)論文以題為Liquid Droplet Stamp Transfer Printing發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者是清華大學(xué)馮雪副教授，馬寅佶助理研究員。

論文鏈接：doi.org/10.1002/adfm.2021054079