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梦之墨打造“马良神笔”

金属流体改变集成电路制造规则

来源:中国科学报 2012-12-13 周熙檀

  家里的一根电路断了,不需要找专业的电工上门修理,只需用笔画一下,就完成了接驳;《哈利•波特》中的《预言家日报》出现在现实生活中指日可待,届时,报纸上不再只是静态的图片和文字。

  这样的神奇故事并非来自科学幻想或影视作品,它们即将成为现实。而为此带来新希望的,是身兼中科院理化所研究员及清华大学教授的刘静博士。

  近日,由刘静带领的理化所与清华大学联合小组在印刷电子学领域取得了突破性进展,令在各种柔性或硬质材料表面直接手写电子器件成为现实。相关研究文章发表在美国《科学公共图书馆•综合》以及《应用物理快报》上。

  “液态金属DREAM-Ink打开的是个人电子设计大门,不久的将来,它还可望改写电子产业的传统模式。”刘静对《中国科学报》记者说。

实现关键突破

  传统的电子器件印刷工序通常较为复杂,易污染环境,且耗时、耗材、耗能,成本很高。对此,刘静说:“这些年来,国内外一直在探讨,能否改变集成电路设计制造的游戏规则,就像写字或绘画一样,将电路及电子器件直接写在基底上。”

  然而,高性能墨水的欠缺一直是产业发展的短板。

  常规的导电油墨,包括新近出现的基于纳米金/银/铜以及碳纳米管、石墨烯等的电子油墨,仍存在配制工艺复杂、电阻率高、器件成型固化温度高等缺点。

  “我们实验室的重要贡献在于,将室温下可以流动的金属引入了印刷电子。”刘静说。这种所见即所得的电子直写技术,被刘静命名为DREAM-Ink(梦之墨)技术。

  早在十余年前,刘静就意识到液态金属研究的科学意义和重大价值,带领团队开展了相应的基础与应用探索,并先后取得一系列首创性成果,如用于高性能计算机的室温金属流体芯片冷却技术等。如今,在室温金属流体研究渐成国际重大科技前沿和热点时,刘静团队已获得近50项专利技术,为我国相关产业的发展奠定了关键基础;他们发表的数十篇学术论著,占到了当前国际上本领域文献的绝大部分,引领优势显著。

  在印刷电子领域的应用,利用金属流体实现电路直写正是该团队长期积累的结果。

化解制造难题

  研究过程中也遇到过不少障碍。博士生李海燕说:“一开始我们的想法是,将金属流体直接写在纸上。但在实际操作中发现,普通金属流体是没有办法附着在纸上的,会像水银液滴一样来回滚动。”

  一年多前,该情况得以改变,因为学材料的高云霞博士加入了团队。她对材料加以改性,“经过一次改性,常规领域使用到的界面黏附性问题都解决了。”高云霞说。

  就在前不久,美国科研人员通过两种物质发生化学反应,沉积金属件实现了柔性材料上的电子功能。相关论文在全世界引起了很大轰动。

  但高云霞表示,用含银的盐进行化学反应,可以沉积成银导线,附着在柔性基底上。“对这种方式来说,温度越高导电率越好,但事实是,高温对柔性材料是很不利的因素,其技术适用性限制很大。”高云霞说。 而所见即所得的DREAM-Ink技术则避免了上述困难,在常温下即可直接印制各种薄膜乃至三维结构。

改写产业未来

  业内专家介绍,可在各种基底上直接制作电子器件的直写式印刷方法,有望重塑集成电路产业。在实验室里,记者看到了研究小组利用DREAM-Ink技术制成的透明导电薄膜、天线和RFID元件等。看起来只是在不同基底上用笔画了几道,但是它们已展示出显著的实用性。

  以生物医学应用为例,在测量对象体表靠近心脏部位涂覆相应的金属墨水,可以形成适形化电极,给心电信号以及生物电阻抗等生理参数的测量带来较大方便。

  但刘静更多强调的是,DREAM-Ink将打开个人电子设计大门。届时,纸张不再只是文字的载体,还能集成诸多电子元件。这可能引申出电子器件个性化设计潮流——印制有液态金属薄膜的电子服装在阳光下可随时发电;建筑墙体或玻璃表面可以DIY方式直接涂覆上金属墨水及相关材料,作为LED甚至太阳能电池,以作为装饰品或用以捕获光能的器件。

  刘静团队的下一个目标是研制出更多常温下的液态金属墨水,用以满足各种特定功能电子器件,如生物医学传感器、3D天线、薄膜晶体管等,从而将这一方法扩展到更多工业和商业领域乃至日常生活中。

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2012-12-13 14:31:51]
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