最(zui)近，哈爾濱工(gong)業大(da)學化工(gong)與化學學院(yuan)齊殿鵬教授團隊的綜述文章“From liquid metal to stretchable electronics:Overcoming the surface tension”在(zai)Science China Materials(SCMs)期刊在(zai)線發表，總結(jie)了近年來通過克(ke)服表面(mian)張力使(shi)液態(tai)金(jin)屬可拉伸(shen)電(dian)子器件化的研(yan)究(jiu)進展。

液(ye)(ye)(ye)(ye)態(tai)金屬(shu)(shu)（LMs）是在(zai)(zai)室溫下同(tong)時具備金屬(shu)(shu)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)以及液(ye)(ye)(ye)(ye)體延(yan)展(zhan)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)。不(bu)同(tong)于廣(guang)為人知的(de)(de)(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)汞，鎵及其(qi)合(he)金因(yin)其(qi)低(di)毒性(xing)和(he)(he)超低(di)蒸汽壓而(er)具備在(zai)(zai)可拉(la)(la)伸(shen)(shen)電(dian)(dian)(dian)子領(ling)域(yu)被(bei)廣(guang)泛(fan)應用的(de)(de)(de)(de)(de)潛(qian)力(li)。可拉(la)(la)伸(shen)(shen)電(dian)(dian)(dian)子器件(jian)是指在(zai)(zai)被(bei)拉(la)(la)長的(de)(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)下保(bao)持其(qi)功能的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)路(lu)和(he)(he)電(dian)(dian)(dian)子元件(jian)，這(zhe)種器件(jian)在(zai)(zai)許多現有芯(xin)片技術無法實(shi)現的(de)(de)(de)(de)(de)系統(tong)中大放異彩，并且可以彌補傳統(tong)電(dian)(dian)(dian)子設備的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)足，例如輔助和(he)(he)替代傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)生理檢測系統(tong)等(deng)。這(zhe)類(lei)器件(jian)同(tong)時對材料的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)和(he)(he)高(gao)延(yan)展(zhan)性(xing)提出(chu)了要求(qiu)，而(er)液(ye)(ye)(ye)(ye)態(tai)金屬(shu)(shu)十分契合(he)這(zhe)兩個重要特性(xing)。然而(er)，在(zai)(zai)使液(ye)(ye)(ye)(ye)態(tai)金屬(shu)(shu)可拉(la)(la)伸(shen)(shen)電(dian)(dian)(dian)子器件(jian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)過程中存在(zai)(zai)一個天然的(de)(de)(de)(de)(de)阻礙，即液(ye)(ye)(ye)(ye)態(tai)金屬(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)表面張力(li)（＞600 mN/m）。其(qi)高(gao)表面張力(li)阻止液(ye)(ye)(ye)(ye)態(tai)金屬(shu)(shu)潤濕大多數表面，并支持其(qi)自發形(xing)成球形(xing)液(ye)(ye)(ye)(ye)滴的(de)(de)(de)(de)(de)傾(qing)向，進而(er)難以形(xing)成電(dian)(dian)(dian)子器件(jian)要求(qiu)的(de)(de)(de)(de)(de)圖案。

該文從克服(fu)液態(tai)金(jin)(jin)屬表面張(zhang)力的角度出發，將液態(tai)金(jin)(jin)屬的成(cheng)型方(fang)式分為利用(yong)宏觀(guan)機械力、改(gai)變(bian)顆(ke)粒尺寸、相變(bian)及改(gai)變(bian)潤(run)濕特性這四個(ge)策略。克服(fu)了(le)表面張(zhang)力的阻礙(ai)后，液態(tai)金(jin)(jin)屬在(zai)傳感、能量收(shou)集等方(fang)面有(you)巨(ju)大的應用(yong)前(qian)景。此(ci)外(wai)，該文還討論(lun)了(le)目前(qian)該領(ling)域存在(zai)的挑戰和機遇。

圖(tu)1克服液態金(jin)屬表面張力的(de)四種策略(lve)及其成型的(de)難易程(cheng)度

圖文要點

液態金屬及其氧化層

液態(tai)金屬在含有微量氧(yang)氣的(de)環境中就(jiu)會被氧(yang)化(hua)(hua)，形成0.5–5 nm的(de)自限(xian)的(de)氧(yang)化(hua)(hua)層，獲得保持非球面形狀(zhuang)的(de)能(neng)力(li)。

圖(tu)2液態金屬及其氧化(hua)層的(de)性質

（1）使用宏觀機械力

宏觀機械力在(zai)此特指用(yong)來限制液(ye)態金屬表面張力，使其保持非球(qiu)形(xing)狀的(de)力。研究人(ren)員(yuan)通(tong)過(guo)小直徑(jing)的(de)通(tong)道將液(ye)態金屬擠出或吸收，在(zai)氧化層的(de)幫助下形(xing)成明顯超過(guo)瑞利極限的(de)圓柱體形(xing)狀。

圖(tu)3 3D打印(yin)成型(xing)液態金屬

圖(tu)4半開(kai)放式通道(dao)填充(chong)和(he)微通道(dao)注射(she)法成(cheng)型液(ye)態(tai)金屬

（2）減小顆粒尺寸

 使(shi)用超聲和剪切(qie)等自(zi)上而(er)(er)下的(de)(de)方法將液(ye)態金屬從一個大的(de)(de)液(ye)滴分割成(cheng)許多微米(mi)級或(huo)納(na)米(mi)級的(de)(de)液(ye)滴，并保(bao)證(zheng)其粒(li)度分布(bu)相對(dui)均勻。氧化層(ceng)或(huo)其他人工形成(cheng)的(de)(de)表(biao)面(mian)修飾(shi)將暫時阻止(zhi)液(ye)滴的(de)(de)重新結(jie)合。可(ke)拉伸(shen)電子設備(bei)的(de)(de)圖案可(ke)以通過(guo)(guo)排列這些(xie)液(ye)滴來繪制，這相當于通過(guo)(guo)減小粒(li)徑以增加比表(biao)面(mian)積（增加氧化層(ceng)比例(li)）進而(er)(er)降低(di)表(biao)面(mian)張力。

圖5減(jian)小粒徑使液態(tai)金屬成型

（3）相變

由于(yu)液態金屬(shu)的(de)低熔點(dian)（不超過(guo)16℃），采取(qu)冷凍相(xiang)變(bian)使液態金屬(shu)凝(ning)固加強了內部分子與(yu)表面分子的(de)結合力，能(neng)更徹底(di)地克服液態金屬(shu)的(de)表面張力。改(gai)變(bian)相(xiang)位作(zuo)為一(yi)種(zhong)輔助方(fang)法，與(yu)使用機械(xie)外力的(de)方(fang)法相(xiang)結合，可有效增強液態金屬(shu)在成型過(guo)程中的(de)穩定性。

（4）改變潤濕特性

除了(le)某(mou)些特定材料的表面（金(jin)(jin)、銅(tong)、錫(xi)等）可以潤(run)(run)濕外，使用(yong)施加電壓(ya)等方法也(ye)可以改(gai)變液(ye)態金(jin)(jin)屬的潤(run)(run)濕特性，使其在(zai)(zai)基材表面擴散，在(zai)(zai)此基礎上可以制造出可拉伸的電子設備。

圖6冷凍相變(bian)及改變(bian)潤濕特性使液(ye)態金屬成(cheng)型

總結和展望

雖然基于液態金屬的成型技術及其應用(yong)的研究在(zai)(zai)過去十(shi)幾(ji)年中得到快(kuai)速發展(zhan)，但是在(zai)(zai)這(zhe)些(xie)電子設備被廣泛(fan)應用(yong)前，仍有(you)一些(xie)挑戰亟待解決。

首先，液態(tai)金屬能在(zai)可(ke)拉伸電子(zi)領域得到廣泛(fan)應(ying)用(yong)(yong)(yong)，很大程度上取決于其流體(ti)(ti)(ti)特性(xing)(xing)(xing)，單純(chun)使用(yong)(yong)(yong)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)體(ti)(ti)(ti)封(feng)裝液態(tai)金屬，通(tong)常不存(cun)在(zai)泄(xie)漏的(de)(de)風險。盡管如(ru)(ru)此(ci)，在(zai)需(xu)要外部(bu)導(dao)體(ti)(ti)(ti)連接(jie)(jie)電子(zi)設備(bei)的(de)(de)電路中，無論是(shi)作(zuo)為(wei)導(dao)體(ti)(ti)(ti)還是(shi)電子(zi)設備(bei)，液態(tai)金屬被彈(dan)性(xing)(xing)(xing)體(ti)(ti)(ti)覆(fu)蓋的(de)(de)結構都需(xu)要與其他導(dao)體(ti)(ti)(ti)接(jie)(jie)觸。如(ru)(ru)果(guo)(guo)用(yong)(yong)(yong)剛(gang)性(xing)(xing)(xing)導(dao)體(ti)(ti)(ti)來接(jie)(jie)觸，由于液態(tai)金屬的(de)(de)流體(ti)(ti)(ti)性(xing)(xing)(xing)質，剛(gang)性(xing)(xing)(xing)導(dao)體(ti)(ti)(ti)需(xu)要植(zhi)入彈(dan)性(xing)(xing)(xing)體(ti)(ti)(ti)。彈(dan)性(xing)(xing)(xing)體(ti)(ti)(ti)和(he)剛(gang)性(xing)(xing)(xing)導(dao)體(ti)(ti)(ti)之間的(de)(de)楊氏模量相差(cha)幾個數(shu)量級，這導(dao)致在(zai)工(gong)作(zuo)過程中容納剛(gang)性(xing)(xing)(xing)導(dao)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)彈(dan)性(xing)(xing)(xing)體(ti)(ti)(ti)通(tong)道(dao)被擴大，有泄(xie)露的(de)(de)風險。如(ru)(ru)果(guo)(guo)利用(yong)(yong)(yong)水凝膠(jiao)等可(ke)拉伸導(dao)體(ti)(ti)(ti)作(zuo)為(wei)觸點，由于其阻值(zhi)相對(dui)較大，設備(bei)的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能會有較大損(sun)失。因此(ci)，適(shi)當的(de)(de)連接(jie)(jie)方法仍有待開(kai)發。

其次，液(ye)(ye)態(tai)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)在一些(xie)(xie)特定材料(liao)的(de)(de)光滑表面上顯示(shi)出(chu)良好(hao)的(de)(de)鋪(pu)展性(xing)能(neng)，如(ru)金(jin)(jin)(jin)(jin)、鋅和銅(tong)。良好(hao)的(de)(de)鋪(pu)展性(xing)能(neng)來自于液(ye)(ye)態(tai)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)對這些(xie)(xie)材料(liao)的(de)(de)吸(xi)收。液(ye)(ye)態(tai)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)會(hui)進入材料(liao)的(de)(de)晶(jing)格，使其產生(sheng)脆性(xing)。然而，在液(ye)(ye)態(tai)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)吸(xi)收這些(xie)(xie)元素后，其氧(yang)化層的(de)(de)性(xing)質(zhi)是(shi)否發生(sheng)變化，是(shi)否能(neng)保持(chi)原(yuan)來的(de)(de)形狀，仍有待研究(jiu)。由這些(xie)(xie)材料(liao)制成的(de)(de)電子器件的(de)(de)使用壽命和穩定性(xing)也值得關注(zhu)。

最(zui)后，關于(yu)液(ye)態金(jin)屬內部氧化(hua)層(ceng)的動力學的許(xu)多問題(ti)都值(zhi)得討(tao)論，這將實現對氧化(hua)層(ceng)更精確和(he)全面的調控(kong)，并大大擴展液(ye)態金(jin)屬在可拉伸(shen)電子器件中的應(ying)用。