CN106498348A - 一种使用液态金属制备柔性电子线路的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用液态金属制备柔性电子线路的方法与装置。采用热蒸发技术或者溅射技术，将液态金属作为蒸发源或者溅射源，热蒸发或者轰击溅射出液态金属粒子沉积在柔性衬底表面，形成液态金属薄膜。该方法简单易行，有利于柔性电子线路的小尺寸化。另外，本发明提供的制备装置结构简单，能够实现对液态金属靶材进行热蒸发与溅射两种方式，因此使用灵活。

Description

一种使用液态金属制备柔性电子线路的方法与装置

技术领域

本发明涉及液态金属技术领域，尤其涉及一种使用液态金属制备柔性电子线路的方法与装置。

背景技术

生活中，电子器件随处可见，例如手机、电脑、手表、按摩椅、足疗仪等，这些电子设备大多是刚性的，并不适用于表面是非平面的物体，导致电子设备在某些方面的应用受到了严重的限制。随着电子科学技术的不断发展，生活水平的提高，人们对日常生活中的电子器件提出了新的要求，为此，柔性电子的概念被提出。

柔性电子是一种新兴电子技术，其器件具有独特的柔性/延展性，目前一般是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性的衬底上(例如塑料、薄金属基板等)而实现，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。

随着柔性电子科学技术不断的发展，现在柔性电子器件主要包括柔性显示、柔性存储、柔性储能、柔性传感、柔性电路等，这些柔性电子器件主要由功能器件和柔性电子线路组成，在柔性电子线路的研究和应用中，人们发现导电性良好的金属材料尽管可以通过构造岛状、蛇形、马蹄形等结构实现一定的形变能力，但很难实现较大范围的形变，所以人们逐渐将目光聚焦到导电能力良好，具有形变能力的液态金属材料。

液态金属通常是指熔点低于200℃的合金，其中室温液态金属的熔点较低，在室温下呈现液态。与传统流体相比，液态金属具有良好的导热和导电性能，且液相分布区间宽广，因此日益受到人们的广泛关注。

现有的基于液态金属的柔性电子线路的制作方法主要有模塑法，打印法，超声沉积法等，但是这些方法存在着诸如过程复杂、实验设备要求高、制作效率低等问题。另外，由于液态金属本身较大的表面张力，在液态金属材料与柔性衬底材料结合的过程中，很难将液态金属铺展开。例如，前两种方法利用宏观的液态金属材料，由于其较大的表面张力，在衬底材料表面具有较大的宽高比，使其制作出的电子线路的尺寸不能太小；第三种方法是将超声后的液态金属颗粒沉积成膜，通过压或者划的方式破坏掉表面氧化层，使液态金属颗粒连接起来，形成导电线路，该方法中超声产生的液态金属颗粒大小存在极限，因此导电电路尺寸也存在极限，不能太小。

发明内容

针对上述技术现状，本发明的技术目的是提供一种使用液态金属制备柔性电子线路的新方法。

本发明解决上述技术目的所采用的技术方案为：一种使用液态金属制备柔性电子线路的方法，其特征是：采用热蒸发技术，将液态金属作为蒸发源，热蒸发出液态金属粒子沉积在柔性衬底表面，形成液态金属薄膜；

或者，采用溅射技术，将块体状的液态金属作为靶材，惰性气体在电压作用下电离后轰击该靶材，将靶材的原子或原子团溅射到柔性衬底，形成液态金属薄膜。

考虑到液态金属的表面张力较大，作为优选，在采用热蒸发技术或者溅射技术在柔性衬底表面形成液态金属薄膜之前，在柔性衬底表面施加静电荷，该静电荷有利于降低液态金属的表面张力，使液态金属在柔性衬底表面铺展开，提高液态金属薄膜在柔性衬底上的浸润力，从而提高液态金属薄膜的宽高比，制得小尺寸的柔性电子线路。所述的静电荷包括带正电的静电荷和/或带负电的静电荷。

当采用溅射技术时，块体状的液态金属可通过在低于液态金属熔点的温度条件下将其进行冷冻而得到。

本发明通过上述的热蒸发技术或者溅射技术，在柔性衬底表面将液态金属在原子尺度堆积形成连通的导电液态金属薄膜，从而得到一种新型的柔性电子线路，并且可控制得到小尺寸化。当在空气等环境中该液态金属薄膜的表层形成氧化膜，可作为该柔性电子线路的保护膜。

本发明还提供了一种使用液态金属制备柔性电子线路的装置，该装置包括真空腔体，位于真空腔体内的靶池、基片与基片架；柔性衬底固定在基片表面，基片由固定架固定，位于靶池上方；

靶池内设置用于放置靶材的靶托，用于冷冻靶材的冷冻单元，用于加热靶材的加热单元，用于产生磁场的磁场单元，用于靶材降温的冷却单元，用于监控靶材温度的温控单元；

所述的靶材是液态金属；

所述的靶材通过热蒸发方式或者溅射方式沉积在柔性衬底表面；

所述的热蒸发方式为：加热单元加热靶材，使其蒸发出靶材粒子沉积到柔性衬底表面形成液态金属薄膜；

溅射方式为：冷冻单元冷冻靶材为块体，真空腔体内通入惰性气体，在电场作用下惰性气体电离后轰击块体靶材，将靶材的原子或原子团溅射到柔性衬底表面形成液态金属薄膜。

作为一种实现方式，靶托为导热材料，靶材放置于靶托内部，冷冻单元环绕于靶托外部，磁场单元和冷却单元位于靶托底部。作为优选，所述的靶托为导电材料，这时，所述的加热单元可以是与靶托相连的电源，电源开启，靶托与电源形成回路而发热，从而加热位于靶托内部的靶材。

作为一种实现方式，所述的磁场单元由若干个磁铁组成。

作为一种实现方式，所述的冷冻单元中的冷却介质包括但不限于液氮、液氦等。

作为一种实现方式，冷却的冷却单元由冷却管与冷却流体组成，例如冷却管与冷却水等。

作为优选，所述的靶托与基片之间还设置挡板，当热蒸发初期，所述挡板用于隔离靶材粒子沉积到柔性衬底表面，待能够稳定地蒸发出靶材粒子，则移去该挡板；当溅射初期，所述挡板用于隔离靶材的原子或原子团溅射到柔性衬底表面，待能够稳定地轰击出靶材的原子或原子团，则移去该挡板。

作为优选，所述的使用液态金属制备柔性电子线路的装置还包括静电荷施加单元，例如能够产生静电荷的静电枪、静电扫描探针等，用于在柔性衬底表面施加静电荷。作为进一步优选，所述的静电荷施加装置与位移单元相连接，能够控制该静电荷施加装置的位移。

所述的柔性衬底材料不限，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、水凝胶、PET、PI、PVDF、SEBS等。

所述的液态金属包括但不限于汞(Hg)、镓(Ga)、铟(In)、-锡(Sn)、Ga-In合金、Ga-In-Sn合金，金属或非金属掺杂的Ga合金、Ga-In合金、Ga-In-Sn合金中的一种或者几种。

与现有的使用液态金属与柔性衬底制备的柔性电子线路相比，本发明的制备方法简单易行，在柔性衬底表面形成连通导电的液态金属薄膜而构成柔性电子线路，有利于柔性电子线路的小尺寸化；并且，优选在柔性衬底表面施加静电荷，有利于降低液态金属的表面张力，可进一步实现柔性电子线路的小尺寸化。本发明提供的制备装置结构简单，能够实现对靶材进行热蒸发与溅射两种方式，因此使用灵活。

本发明通过上述的热蒸发技术或者溅射技术，在柔性衬底表面将液态金属在原子尺度堆积形成连通的导电液态金属薄膜，从而得到一种新型的柔性电子线路。当在空气等环境中该液态金属薄膜的表层形成氧化膜，可作为该柔性电子线路的保护膜。

附图说明

图1是本发明实施例1中的使用液态金属制备柔性电子线路的装置的结构示意图；

图2是图1中靶池内部的结构示意图；

图3是图2中的靶材的分布示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，不以任何方式限制本发明。

图1-3中的附图标记为：真空腔体1、基片架2、靶池3、抽真空单元4、电源5、通气管道6、位移控制单元7、静电施加单元8、基片9、复合靶材10、支撑架11、磁场单元12、支撑体13、冷却单元14、电源15、温控单元16、冷冻单元17、靶材18、靶托19、挡板20.。

实施例1：

本实施例中，柔性电子线路的制备装置如图1所示，包括真空腔体1，位于真空腔体内的靶池3、基片9与基片架2。柔性衬底固定在基片9表面，基片9由基片架2固定，位于靶池3上方。

通气管道6与真空腔体1相连通。抽真空单元4与真空腔体1相连通。

该柔性电子线路的制备装置还包括静电施加单元8，用于在柔性衬底表面施加静电荷。位移控制单元7与静电施加单元8相连，能够控制静电施加单元8进行位移。

本实施例中，静电施加单元8包括静电扫描探针以及电源，在电源开启状态下，静电扫描探针能够产生正静电荷和/或负静电荷。

如图2所示，靶池3内设置用于放置靶材18的靶托19，用于冷冻靶材的冷冻单元17，用于加热靶材的加热单元15，用于产生磁场的磁场产生单元12，用于靶材降温的冷却单元14，以及用于监控靶材温度的温控单元16。

靶材18是液态金属。本实施例中，靶材18是镓、铟、锡液态合金。

本实施例中，柔性衬底材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本实施例中，靶托19为导热材料，靶材18放置于靶托19的内部，冷冻单元环绕于靶托19外部，磁场单元和冷却单元位于靶托19的底部。

本实施例中，冷冻单元17的冷却介质为液氮。磁场单元12包括三个磁体，这三个磁体在支撑架13的支撑下位于靶托19的底部。

本实施例中，冷却单元14由冷却管与冷却水组成。

本实施例中，加热单元15是与靶托19相连的电源，电源开启，靶托19与电源形成回路而发热，从而加热位于靶托内部的靶材。

本实施例中，温控单元16是与靶托19外壁相连接的温度计，由于靶托为导热材料，根据靶托温度可得到位于靶托内部的靶材的温度。

本实施例中，靶托19与基片9之间还设置挡板20，挡板20由支架11支撑，当热蒸发初期，挡板用于隔离靶材粒子沉积到柔性衬底表面，待能够稳定地蒸发出靶材粒子，则移去该挡板；当溅射初期，所述挡板用于隔离靶材的原子或原子团溅射到柔性衬底表面，待能够稳定地轰击出靶材的原子或原子团，则移去该挡板。

本实施例中，靶托内的靶材为复合靶材，即如图3所示，靶材为四个，彼此有间隔地均匀分布在靶托内。

本实施例中，可以采用热蒸发技术或者溅射技术制备柔性电子线路，具体方法如下：

(一)采用热蒸发技术，将液态金属作为蒸发源，热蒸发出液态金属粒子沉积在柔性衬底表面，形成液态金属薄膜，具体步骤如下：

(1)如图3所示，将镓、铟、锡液态金属置于靶托内，形成4个靶材料；在基片9上固定好PDMS柔性衬底，将基片9固定于基片架2上，并且固定有PDMS柔性衬底的基片一面朝向靶池3；在基片9与靶托19之间设置材挡板20；

(2)用抽真空系统4对真空腔体1抽真空使其真空度达到6×10^-5pa，利用位移控制杆单元7调控静电扫描探针在PDMS柔性衬底表面施加静电荷；

(3)将靶材作为蒸发源，打开加热单元15，调节电压为1.5V，电流为162A，预蒸发30s后，打开靶材挡板20，热蒸发出的液态金属粒子沉积在PDMS柔性衬底表面，蒸镀30mins，在PDMS柔性衬底表面形成液态金属薄膜，关闭靶材挡板20，调节电压和电流为零。

(4)关闭抽真空系统4，利用通气管道6对真空腔体1充氧气进行液态金属膜氧化，并通过充氮气破坏腔体内的真空，然后打开真空腔体1，取出基片9，取下固定于基片上的PDMS柔性衬底。

(二)采用溅射技术，将块体状的液态金属作为靶材，惰性气体在电压作用下电离后轰击该靶材，将靶材的原子或原子团溅射到柔性衬底，形成液态金属薄膜，具体如下：

(1)如图3所示，将镓、铟、锡液态金属置于靶托内，形成4个靶材料；在基片9上固定好PDMS柔性衬底，将基片9固定于基片架2上，并且固定有PDMS柔性衬底的基片一面朝向靶池3；在基片9与靶托19之间设置材挡板20；

(2)用抽真空系统4对真空腔体1抽真空使其真空度达到6×10^-5pa，利用位移控制杆单元7调控静电扫描探针在PDMS柔性衬底表面施加静电荷；

(3)打开冷冻单元17冷冻靶材，温控单元16显示温度为-20℃时液态金属镓、铟、锡冷冻成固态块体靶材；打开冷却系统14，惰性气体经通气管道6进入真空腔体，在电压作用下电离后轰击该靶材，在磁场单元12产生的磁场控制条件下，预轰击溅射3s后打开靶材挡板20，靶材的原子或原子团溅射到柔性衬底，形成液态金属薄膜。

(4)关闭抽真空系统4，利用通气管道6对真空腔体1充氧气进行液态金属膜氧化，并通过充氮气破坏腔体内的真空，然后打开真空腔体1，取出基片9，取下固定于基片上的PDMS柔性衬底。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种使用液态金属制备柔性电子线路的方法，其特征是：采用热蒸发技术，将液态金属作为蒸发源，热蒸发出液态金属粒子沉积在柔性衬底表面，形成液态金属薄膜；

或者，采用溅射技术，将块体状的液态金属作为靶材，惰性气体在电压作用下电离后轰击该靶材，将靶材的原子或原子团溅射到柔性衬底，形成液态金属薄膜。

2.如权利要求1所述的使用液态金属制备柔性电子线路的方法，其特征是：当采用溅射技术时，块体状的液态金属可通过在低于液态金属熔点的温度条件下将其进行冷冻而得到。

3.如权利要求1或2所述的使用液态金属制备柔性电子线路的方法，其特征是：在采用热蒸发技术或者溅射技术在柔性衬底表面形成液态金属薄膜之前，在柔性衬底表面施加静电荷。

4.一种使用液态金属制备柔性电子线路的装置，其特征是：包括真空腔体，位于真空腔体内的靶池、基片与基片架；柔性衬底固定在基片表面，基片由固定架固定，位于靶池上方；

靶池内设置用于放置靶材的靶托，用于冷冻靶材的冷冻单元，用于加热靶材的加热单元，用于产生磁场的磁场单元，用于靶材降温的冷却单元，用于监控靶材温度的温控单元；

所述的靶材是液态金属；

所述的靶材通过热蒸发方式或者溅射方式沉积在柔性衬底表面；

所述的热蒸发方式为：加热单元加热靶材，使其蒸发出靶材粒子沉积到柔性衬底表面；

所述的溅射方式为：冷冻单元冷冻靶材为块体，真空腔体内通入惰性气体，在电场作用下惰性气体电离后轰击块体靶材，将靶材的原子或原子团溅射到柔性衬底表面。

5.如权利要求4所述的使用液态金属制备柔性电子线路的装置，其特征是：靶托为导热材料，靶材放置于靶托内部，冷冻单元环绕于靶托外部，磁场单元和冷却单元位于靶托底部；

作为优选，所述的靶托为导电材料，所述的加热单元是与靶托相连的电源。

6.如权利要求4所述的使用液态金属制备柔性电子线路的装置，其特征是：所述的磁场单元由若干个磁铁组成；

所述的冷冻单元中的冷却介质包括液氮、液氦；

所述的冷却单元由冷却管与冷却流体组成。

7.如权利要求4所述的使用液态金属制备柔性电子线路的装置，其特征是：所述的柔性衬底材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、水凝胶、PET、PI、PVDF、SEBS。

8.如权利要求4所述的使用液态金属制备柔性电子线路的装置，其特征是：所述的液态金属包括汞(Hg)、镓(Ga)、铟(In)、-锡(Sn)、Ga-In合金、Ga-In-Sn合金，金属或非金属掺杂的Ga合金、Ga-In合金、Ga-In-Sn合金中的一种或者几种。

9.如权利要求4所述的使用液态金属制备柔性电子线路的装置，其特征是：所述的靶托与基片之间设置挡板。

10.如权利要求4至9中任一权利要求所述的使用液态金属制备柔性电子线路的装置，其特征是：还包括静电荷施加单元，用于在柔性衬底表面施加静电荷；

作为优选，还包括与静电荷施加单元相连接的位移单元，用于控制该静电荷施加装置的位移。