CN117621689A - 基于激光驱动的液滴转印印章及转印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光驱动的液滴转印印章及转印方法，印章包括衬底，表面有微柱结构的印章中间层和附着于微柱结构表面的液滴；转印方法为：1)拾取时，首先用印章去靠近元件至与元件接触，液滴在印章中间层与元件间形成液体桥，利用液体桥来拾取元件；2)印刷时，将印章/元件移动到基底上方，外加脉冲激光束，元件吸热并传导至液滴，产生空化气泡，此时处于低粘附状态，成功印刷。本发明印章结构简单且成本低廉，液滴具有更好的形状适应性，能够拾取三维或表面粗糙的元件；液滴印章在转印时避免了对元件的挤压和泊松效应，适用于薄脆元件；该激光驱动转印方法响应时间快，单位时间内吞吐量大，能实现大规模的选择性、图案化的并行印刷。

Description

基于激光驱动的液滴转印印章及转印方法

技术领域

本公开涉及一种转移印刷技术，尤其涉及一种激光驱动的液滴转印印章及转印方法，可用于任意图案化的微纳电子元器件的转移印刷。

背景技术

转移印刷技术是一种高效的异质异构的集成技术，在柔性电子制备领域有良好的应用前景。

高聚物印章转印技术因其可重复性，清洁性(避免粘结剂的使用，不会对元件产生化学污染)，巨量转印(可以利用大面积的印章对巨量微型元件进行大规模转印)等优点受到研究者们的欢迎，是目前最热门的转印技术。根据不同的力调控原理，高聚物印章转印技术发展了率相关动态可控转印技术、载荷增强转印技术、曲率控制转印技术。这三种转印技术分别需要控制印章剥离速度、施加的剪切载荷和印章的曲率，对操作精度的依赖性高，调控难度大。根据不同的印章形态设计，高聚物印章发展了采用蘑菇状微结构来减小边界处的应力集中，抑制边界裂纹的发生，从而增强粘附的支承印章转印技术；模仿壁虎足底纤维状刚毛设计的微柱阵列印章转印技术；基于范德华力正比于面积的充气印章转印技术。这些都是接触式转印技术，受主基底的几何形状与性质都会影响印刷过程。

通过引入热控和磁控等外部驱动，研究者们提出基于热失配的激光驱动转印技术、激光驱动的空腔印章的转印技术、蚜虫仿生磁控转印技术等非接触式转印技术。这些转印技术响应快，印刷时不受基底影响，可以进行编程式印刷。

尽管高聚物印章转印技术已得到较多发展，但拾取时需要施加足够的压力来激发范德华力，由于泊松效应，会在界面形成剪切力。转印复杂三维器件或薄膜器件时，界面剪切力可能会使元件发生褶皱或断裂，损坏其性能。

液滴转印集成技术以液滴为媒介，通过液体桥来实现粘附控制，可以进行元件的拾取和印刷。液滴流动性强，形状适应性好，不会对元件产生物理损伤，可以弥补高聚物印章转印技术的不足。

现有的基于亲疏水图案化的双液滴转印技术通过上下液体桥的竞争来实现印刷，液滴体积控制的过程操作复杂，印刷效率低；印刷完成后，液滴在元件与基底间，容易造成元件污染。

发明内容

本发明针对现有液滴转印集成技术的不足，提出了一种激光驱动的液滴转印印章及转印方法。该转印印章由衬底、表面有微柱结构的印章中间层和附着于所述微柱结构表面的液滴组成，其中衬底和印章中间层都是透明材料，以减少激光的能量耗散。

其具体转印方法为：1)拾取时，将液滴印章接近施主基底，与元件进行接触，液滴形成液体桥，通过毛细吸力拾取元件；2)印刷时，将带有元件的液滴印章移到受主基底的上方，将激光束竖直向下对准聚焦在元件与液滴印章的接触面，通过施加一定功率、占空比的激光束，元件吸收激光能量迅速升温并传导至液滴，液滴蒸发形成空化气泡，粘附下降导致元件掉落，完成印刷。

外加激光可以是全局的激光加热或局部的激光束加热。在全局激光下可以实现大规模高效率的转印；在局部激光束的加热下实现可编程的图案化转印。

所述元件为能够吸收激光能量升温且耐高温、导热性好的材料，具体可以是硅、金属(金、铁)等。

印章的透明衬底材料可以选用高模量的玻璃、亚克力等材料，保证其优良透光性的同时不易变形。

印章中间层通常选用透明的高聚物材料(如PDMS),未经处理的高聚物表面粘附较强，液滴在其表面的接触角较小。为保证液滴的疏水性(防止液滴向周围摊开)，可以通过表面形态设计(粗糙度设计)或化学处理(疏水性处理)的方式来降低微柱结构表面的亲水性，增大液滴的接触角。

优选地，为方便印章的制备，可以选用PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为印章中间层的材料。通过调节PDMS本体和固化剂的比例来调节杨氏模量。

优选地，印章中间层的微柱表面通过一定的粗糙度设计或疏水性处理来保证微柱结构的疏水性的同时保证液滴在其上的粘附力。

优选地，PDMS印章中间层与玻璃衬底的键合可以通过等离子清洗机清洗处理30s后，将PDMS按压在玻璃衬底上，静置1小时后完成键合。

本发明的有益效果是：

本发明的印章制备简单，成本低廉，能够实现非接触式的转印，避免了对元件的挤压和泊松效应，适用于薄脆元件；液滴印章相比于高聚物印章有更好的形状适应性，可以拾取二维超薄的元件与三维复杂形状的元件，且不会对元件造成物理损伤。相比于基于双液滴的液滴转印技术(CN 113147202 A)，本发明提出的激光驱动的液滴转印技术操作方便，印刷效率高；印刷后的元件上下表面无液滴残留，避免了对元件和基底的污染。该激光驱动转印方法响应时间快，单位时间内吞吐量大，能实现大规模的选择性、图案化的并行印刷。

附图说明

图1是本发明提出的基于激光驱动的液滴转印印章的最小单元结构示意图。

图2是本发明提出的基于激光驱动的阵列式液滴转印印章的结构示意图。

图3是本发明提出的基于激光驱动的液滴转印印章的印刷原理图。

图4是本发明提出的基于激光驱动的阵列式液滴转印印章的大规模全局转印流程图。

图5是本发明提出的基于激光驱动的阵列式液滴转印印章的可编程式转印流程图。

图中：1-衬底、2-印章中间层、3-液滴、4-印章中间层表面的微柱结构、5-元件、6-脉冲激光、7-升温后的元件、8-热传导引起液滴蒸发、9-气泡、10-施主基底、11-受主基底。

具体实施方式

下面结合附图和实例进一步说明本发明的内容。

作为一个示例，但并不限制本发明范围，图1为基于激光驱动的液滴转印印章的最小单元结构示意图。转印印章依次包括衬底1、印章中间层2和液滴3；印章中间层2的表面有微柱结构4，所述液滴3附着于印章中间层表面的微柱结构4上。衬底1的材料为玻璃，印章中间层2材料为固化剂和本体配比1:10的PDMS；液滴3为去离子水。

作为一个示例，但并不限制本发明范围，图2为基于激光驱动的阵列式液滴转印印章的结构示意图。与图1相比，印章中间层增加了阵列式的微柱，液滴相应地也为阵列式。

作为一个示例，但并不限制本发明范围，图3中A-H为基于激光驱动的液滴转印印章的印刷原理图，其中图3A为拾取元件后的印章，图3B施加脉冲激光束，图3C元件吸收激光能量热度升高，图3D中升温后的元件7传热至液滴3，热传导引起液滴蒸发8；图3E中液滴3蒸发形成空化气泡9，图3F气泡扩大，图3G气泡逸散，图3H元件印刷成功。印章的转印方法为：拾取时，令印章靠近基底，与元件5接触，利用液滴3在元件5与印章中间层2间形成液体桥拾取元件5；印刷时，施加一定功率、占空比的脉冲激光6，激光穿过衬底1、印章中间层2与液滴3到达液滴3与元件5的接触界面被元件5吸收，元件5瞬时升温并传热回液滴3，液滴3汽化形成空化气泡，粘附减弱，完成印刷。

作为一个示例，但并不限制本发明范围，图4为基于激光驱动的阵列式液滴转印印章的大规模全局式转印流程图。图4A-C：阵列式液滴转印印章利用液滴拾取施主基底10上的元件。图4D-F:在外加全局脉冲激光的作用下，大规模地印刷元件到受主基底11上。

作为一个示例，但并不限制本发明范围，图5为基于激光驱动的阵列式液滴转印印章的可编程式转印流程图。图5A-C：阵列式液滴转印印章利用液滴拾取元件。图5D-F:在外加脉冲激光的作用下，选择性印刷元件。

Claims (9)

1.一种基于激光驱动的液滴转印印章，其特征在于，依次包括衬底、表面有微柱结构的印章中间层和去离子水液滴，所述去离子水液滴附着于所述微柱结构上。

2.根据权利要求1所述的基于激光驱动的液滴转印印章，其特征在于，所述的衬底材料为不易变形的透光板。

3.根据权利要求2所述的基于激光驱动的液滴转印印章，其特征在于，所述衬底选用玻璃或亚克力。

4.根据权利要求1所述的基于激光驱动的液滴转印印章，其特征在于，所述的印章中间层材料为透明疏水材料。

5.根据权利要求4所述的基于激光驱动的液滴转印印章，其特征在于，所述印章中间层选用聚二甲基硅氧烷。

6.根据权利要求1所述的基于激光驱动的液滴转印印章，其特征在于，对所述微柱结构表面进行粗糙度设计或疏水性处理，从而实现在保证疏水性的同时保证液滴在微柱结构上的粘附力。

7.一种激光驱动的非接触转印方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的印章实现，步骤如下：

拾取时，令印章靠近基底，与元件接触，利用液滴在元件与印章中间层间形成液体桥拾取元件；

印刷时，施加脉冲激光，激光穿过透明衬底、印章中间层与液滴到达液滴与元件的接触界面被元件吸收，元件瞬时升温并传热回液滴，液滴汽化形成空化气泡，粘附减弱，完成印刷。

8.根据权利要求7所述的激光驱动非接触转印方法，其特征在于，所述元件材料为能够吸收激光能量升温、耐高温、导热性好的材料。

9.根据权利要求7所述的激光驱动非接触转印方法，其特征在于，外加驱动为全局激光时，驱动印章实现大规模高效转印；外加驱动为激光束时，驱动印章实现可编程图案化转印。