Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Viser en karusell med tre lysbilder samtidig.Bruk Forrige og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Her demonstrerer vi de imbibisjon-induserte, spontane og selektive fuktingsegenskapene til galliumbaserte flytende metallegeringer på metalliserte overflater med mikroskala topografiske egenskaper.Galliumbaserte flytende metallegeringer er fantastiske materialer med enorm overflatespenning.Derfor er det vanskelig å forme dem til tynne filmer.Fullstendig fukting av den eutektiske legeringen av gallium og indium ble oppnådd på den mikrostrukturerte kobberoverflaten i nærvær av HCl-damper, som fjernet det naturlige oksidet fra den flytende metallegeringen.Denne fuktingen er numerisk forklart basert på Wenzel-modellen og osmoseprosessen, og viser at mikrostrukturstørrelsen er kritisk for effektiv osmose-indusert fukting av flytende metaller.I tillegg demonstrerer vi at spontan fukting av flytende metaller selektivt kan rettes langs mikrostrukturerte områder på en metalloverflate for å skape mønstre.Denne enkle prosessen belegger og former flytende metall jevnt over store områder uten ytre kraft eller komplisert håndtering.Vi har vist at flytende metallmønstrede underlag beholder elektriske forbindelser selv når de strekkes og etter gjentatte sykluser med strekking.
Galliumbaserte flytende metalllegeringer (GaLM) har tiltrukket seg mye oppmerksomhet på grunn av deres attraktive egenskaper som lavt smeltepunkt, høy elektrisk ledningsevne, lav viskositet og flyt, lav toksisitet og høy deformerbarhet1,2.Rent gallium har et smeltepunkt på ca. 30 °C, og når det smeltes sammen i eutektiske sammensetninger med noen metaller som In og Sn, er smeltepunktet under romtemperatur.De to viktige GaLM-ene er galliumindium eutektisk legering (EGaIn, 75 % Ga og 25 % In etter vekt, smeltepunkt: 15,5 °C) og gallium indium tinn eutektisk legering (GaInSn eller galinstan, 68,5 % Ga, 21,5 % In, og 10 % tinn, smeltepunkt: ~11 °C)1.2.På grunn av deres elektriske ledningsevne i væskefasen, blir GaLM aktivt undersøkt som strekk- eller deformerbare elektroniske veier for en rekke bruksområder, inkludert elektroniske3,4,5,6,7,8,9 anstrengte eller buede sensorer 10, 11, 12 , 13, 14 og ledninger 15, 16, 17. Fremstilling av slike enheter ved avsetning, utskrift og mønster fra GaLM krever kunnskap og kontroll over grensesnittegenskapene til GaLM og dets underliggende substrat.GaLM-er har høy overflatespenning (624 mNm-1 for EGaIn18,19 og 534 mNm-1 for Galinstan20,21) som kan gjøre dem vanskelige å håndtere eller manipulere.Dannelsen av en hard skorpe av naturlig galliumoksid på GaLM-overflaten under omgivelsesforhold gir et skall som stabiliserer GaLM i en ikke-sfærisk form.Denne egenskapen gjør at GaLM kan skrives ut, implanteres i mikrokanaler og mønstres med grensesnittstabiliteten oppnådd av oksider19,22,23,24,25,26,27.Det harde oksidskallet lar også GaLM feste seg til de fleste glatte overflater, men hindrer metaller med lav viskositet i å flyte fritt.Forplantning av GaLM på de fleste overflater krever kraft for å bryte oksidskallet28,29.
Oksydskall kan fjernes med for eksempel sterke syrer eller baser.I fravær av oksider danner GaLM dråper på nesten alle overflater på grunn av deres enorme overflatespenning, men det finnes unntak: GaLM fukter metallunderlag.Ga danner metalliske bindinger med andre metaller gjennom en prosess kjent som "reaktiv fukting"30,31,32.Denne reaktive fuktingen blir ofte undersøkt i fravær av overflateoksider for å lette metall-til-metall-kontakt.Men selv med native oksider i GaLM, har det blitt rapportert at metall-til-metall-kontakter dannes når oksider brytes ved kontakter med glatte metalloverflater29.Reaktiv fukting resulterer i lave kontaktvinkler og god fukting av de fleste metallunderlag33,34,35.
Til dags dato er det utført mange studier på bruken av de gunstige egenskapene til reaktiv fukting av GaLM med metaller for å danne et GaLM-mønster.For eksempel har GaLM blitt brukt på mønstrede solide metallbaner ved å smøre, rulle, spraye eller skyggemaskere34, 35, 36, 37, 38. Selektiv fukting av GaLM på harde metaller gjør at GaLM kan danne stabile og veldefinerte mønstre.Imidlertid hindrer den høye overflatespenningen til GaLM dannelsen av svært jevne tynne filmer selv på metallunderlag.For å løse dette problemet, la Lacour et al.rapporterte en metode for å produsere glatte, flate GaLM-tynne filmer over store områder ved å fordampe rent gallium på gullbelagte mikrostrukturerte underlag37,39.Denne metoden krever vakuumavsetning, som er veldig sakte.I tillegg er GaLM generelt ikke tillatt for slike enheter på grunn av mulig sprøhet40.Fordamping legger også materialet på underlaget, så det kreves et mønster for å lage mønsteret.Vi leter etter en måte å lage jevne GaLM-filmer og -mønstre ved å designe topografiske metallelementer som GaLM fukter spontant og selektivt i fravær av naturlige oksider.Her rapporterer vi spontan selektiv fukting av oksidfritt EGaIn (typisk GaLM) ved å bruke den unike fukteoppførselen på fotolitografisk strukturerte metallsubstrater.Vi lager fotolitografisk definerte overflatestrukturer på mikronivå for å studere imbibisjon, og dermed kontrollere fuktingen av oksidfrie flytende metaller.De forbedrede fukteegenskapene til EGaIn på mikrostrukturerte metalloverflater forklares ved numerisk analyse basert på Wenzel-modellen og impregneringsprosessen.Til slutt demonstrerer vi stort områdeavsetning og mønster av EGAIn gjennom selvabsorpsjon, spontan og selektiv fukting på mikrostrukturerte metallavsetningsoverflater.Strekkelektroder og strekkmålere som inneholder EGaIn-strukturer presenteres som potensielle bruksområder.
Absorpsjon er kapillærtransport der væsken invaderer den teksturerte overflaten 41, noe som letter spredningen av væsken.Vi undersøkte fuktoppførselen til EGaIn på metallmikrostrukturerte overflater avsatt i HCl-damp (fig. 1).Kobber ble valgt som metall for den underliggende overflaten. På flate kobberoverflater viste EGaIn en lav kontaktvinkel på <20° i nærvær av HCl-damp, på grunn av reaktiv fukting31 (Supplerende Fig. 1). På flate kobberoverflater viste EGaIn en lav kontaktvinkel på <20° i nærvær av HCl-damp, på grunn av reaktiv fukting31 (Supplerende Fig. 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутствии паров HCl из-завиза молагон нительный рисунок 1). På flate kobberoverflater viste EGaIn en lav <20° kontaktvinkel i nærvær av HCl-damp på grunn av reaktiv fukting31 (tilleggsfigur 1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下腧內內伒凎示凎图1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn在存在HCl На плоских медных поверхностях EGAIn демонстрирует низкие краевые углы <20 ° в присутствии паровирует низкие краевые углы <20 ° в присутствии паровирует HCl из-госи полнительный рисунок 1). På flate kobberoverflater viser EGaIn lave <20° kontaktvinkler i nærvær av HCl-damp på grunn av reaktiv fukting (tilleggsfigur 1).Vi målte nærkontaktvinklene til EGaIn på bulkkobber og på kobberfilmer avsatt på polydimetylsiloksan (PDMS).
a Søyleformede (D (diameter) = l (avstand) = 25 µm, d (avstand mellom kolonner) = 50 µm, H (høyde) = 25 µm) og pyramideformede (bredde = 25 µm, høyde = 18 µm) på Cu /PDMS-substrater.b Tidsavhengige endringer i kontaktvinkelen på flate underlag (uten mikrostrukturer) og arrays av søyler og pyramider som inneholder kobberbelagt PDMS.c, d Intervallregistrering av (c) sett fra siden og (d) ovenfra av EGaIn-fukting på overflaten med søyler i nærvær av HCl-damp.
For å vurdere effekten av topografi på fukting ble det fremstilt PDMS-substrater med søyleformet og pyramideformet mønster, hvorpå kobber ble avsatt med et titanlimlag (fig. 1a).Det ble demonstrert at den mikrostrukturerte overflaten til PDMS-substratet var konformt belagt med kobber (tilleggsfigur 2).De tidsavhengige kontaktvinklene til EGAIn på mønstret og plan kobberforstøvet PDMS (Cu/PDMS) er vist i fig.1b.Kontaktvinkelen til EGAIn på mønstret kobber/PDMS synker til 0° innen ~1 min.Den forbedrede fuktingen av EGaIn-mikrostrukturer kan utnyttes av Wenzel-ligningen\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), der \({\theta}_{{ru}}\) representerer kontaktvinkelen til den grove overflaten, \ (r \) Overflateruhet (= faktisk areal/tilsynelatende areal) og kontaktvinkel på planet \({\theta}_{0}\).Resultatene av forbedret fukting av EGaIn på de mønstrede overflatene stemmer godt overens med Wenzel-modellen, siden r-verdiene for rygg- og pyramidemønstrede overflater er henholdsvis 1,78 og 1,73.Dette betyr også at en EGaIn-dråpe plassert på en mønstret overflate vil trenge inn i sporene på det underliggende relieffet.Det er viktig å merke seg at det dannes veldig jevne flate filmer i dette tilfellet, i motsetning til tilfellet med EGAIn på ustrukturerte overflater (tilleggsfig. 1).
Fra fig.1c,d (Supplerende film 1) kan det sees at etter 30 s, når den tilsynelatende kontaktvinkelen nærmer seg 0°, begynner EGaIn å diffundere lenger bort fra kanten av dråpen, som er forårsaket av absorpsjon (tilleggsfilm 2 og tilleggsfilm Fig. 3).Tidligere studier av flate overflater har assosiert tidsskalaen for reaktiv fukting med overgangen fra treghet til viskøs fukting.Størrelsen på terrenget er en av nøkkelfaktorene for å avgjøre om selvsuging skjer.Ved å sammenligne overflateenergien før og etter imbibisjon fra et termodynamisk synspunkt, ble den kritiske kontaktvinkelen \({\theta}_{c}\) for imbibisjon utledet (se tilleggsdiskusjon for detaljer).Resultatet \({\theta}_{c}\) er definert som \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) hvor \({\phi}_{s}\) representerer brøkområdet øverst i innlegget og \(r\ ) representerer overflateruhet. Imbibisjon kan oppstå når \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dvs. kontaktvinkelen på en flat overflate. Imbibisjon kan oppstå når \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dvs. kontaktvinkelen på en flat overflate. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактный угол на плоской поверхности. Absorpsjon kan oppstå når \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dvs. kontaktvinkelen på en flat overflate.当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平面上的接触角时，会发生吸吸。当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平面上的接触角时，会发生吸吸。 Всасывание происходит, когда \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактный угол на плоскости. Suging skjer når \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), kontaktvinkel på planet.For ettermønstrede overflater beregnes \(r\) og \({\phi}_{s}\) som \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) og \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), der \(R\) representerer kolonneradius, \(H\) representerer kolonnehøyden, og \ ( d\) er avstanden mellom sentrene til to søyler (fig. 1a).For den poststrukturerte overflaten i fig.1a er vinkelen \({\theta}_{c}\) 60°, som er større enn \({\theta}_{0}\)-planet (~25° ) i HCl-damp Oksydfri EGaIn på Cu/PDMS.Derfor kan EGaIn-dråper lett invadere den strukturerte kobberavsetningsoverflaten i fig. 1a på grunn av absorpsjon.
For å undersøke effekten av den topografiske størrelsen til mønsteret på fukting og absorpsjon av EGaIn, varierte vi størrelsen på de kobberbelagte søylene.På fig.2 viser kontaktvinklene og absorpsjonen av EGaIn på disse underlagene.Avstanden l mellom søylene er lik diameteren til søylene D og varierer fra 25 til 200 μm.Høyden på 25 µm er konstant for alle kolonner.\({\theta}_{c}\) avtar med økende kolonnestørrelse (tabell 1), noe som betyr at absorpsjon er mindre sannsynlig på underlag med større kolonner.For alle størrelser som er testet, er \({\theta}_{c}\) større enn \({\theta}_{0}\) og vekedannelse forventes.Absorpsjon er imidlertid sjelden observert for ettermønstrede overflater med l og D 200 µm (fig. 2e).
en tidsavhengig kontaktvinkel for EGAIn på en Cu/PDMS-overflate med kolonner av forskjellige størrelser etter eksponering for HCl-damp.b–e Sett ovenfra og fra siden av EGAIn fukting.b D = 1 = 25 um, r = 1,78.i D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = 1 = 100 um, r = 1,20.eD = 1 = 200 um, r = 1,10.Alle stolper har en høyde på 25 µm.Disse bildene ble tatt minst 15 minutter etter eksponering for HCl-damp.Dråpene på EGaIn er vann som er et resultat av reaksjonen mellom galliumoksid og HCl-damp.Alle målestokkene i (b – e) er 2 mm.
Et annet kriterium for å bestemme sannsynligheten for væskeabsorpsjon er fikseringen av væsken på overflaten etter at mønsteret er påført.Kurbin et al.Det har blitt rapportert at når (1) stolpene er høye nok, vil dråper bli absorbert av den mønstrede overflaten;(2) avstanden mellom søylene er ganske liten;og (3) kontaktvinkelen til væsken på overflaten er tilstrekkelig liten42.Numerisk må \({\theta}_{0}\) av væsken på et plan som inneholder det samme substratmaterialet være mindre enn den kritiske kontaktvinkelen for pinning, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), for absorpsjon uten festing mellom innlegg, der \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (se ytterligere diskusjon for detaljer).Verdien av \({\theta}_{c,{pin}}\) avhenger av pinnestørrelsen (tabell 1).Bestem den dimensjonsløse parameteren L = l/H for å bedømme om absorpsjonen skjer.For absorpsjon må L være mindre enn terskelstandarden, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).For EGaIn er \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) på et kobbersubstrat \({L}_{c}\) 5,2.Siden L-kolonnen på 200 μm er 8, som er større enn verdien av \({L}_{c}\), forekommer ikke EGaIn-absorpsjon.For ytterligere å teste effekten av geometri, observerte vi selv-priming av ulike H og l (tilleggsfig. 5 og tilleggstabell 1).Resultatene stemmer godt overens med våre beregninger.Dermed viser L seg å være en effektiv prediktor for absorpsjon;flytende metall slutter å absorbere på grunn av pinning når avstanden mellom søylene er relativt stor sammenlignet med høyden på søylene.
Fuktbarhet kan bestemmes basert på overflatesammensetningen til underlaget.Vi undersøkte effekten av overflatesammensetning på fukting og absorpsjon av EGaIn ved samtidig avsetning av Si og Cu på søyler og plan (Supplerende Fig. 6).EGaIn-kontaktvinkelen reduseres fra ~160° til ~80° når den binære Si/Cu-overflaten øker fra 0 til 75 % ved et flatt kobberinnhold.For en 75 % Cu/25 % Si-overflate er \({\theta}_{0}\) ~80°, som tilsvarer \({L}_{c}\) lik 0,43 i henhold til definisjonen ovenfor .Fordi kolonnene l = H = 25 μm med L lik 1 større enn terskelen \({L}_{c}\), absorberes ikke 75% Cu/25% Si-overflaten etter mønsterdannelse på grunn av immobilisering.Siden kontaktvinkelen til EGaIn øker med tilsetning av Si, kreves høyere H eller lavere l for å overvinne pinning og impregnering.Derfor, siden kontaktvinkelen (dvs. \({\theta}_{0}\)) avhenger av overflatens kjemiske sammensetning, kan den også avgjøre om imbibisjon skjer i mikrostrukturen.
EgaIn-absorpsjon på mønstret kobber/PDMS kan fukte det flytende metallet til nyttige mønstre.For å evaluere minimumsantallet av kolonnelinjer som forårsaker imbibisjon, ble fukteegenskapene til EGaIn observert på Cu/PDMS med post-mønsterlinjer som inneholder forskjellige kolonnelinjenumre fra 1 til 101 (fig. 3).Fukting skjer hovedsakelig i området etter mønster.EGAIn veketransporten ble observert pålitelig og vekelengden økte med antall rader med kolonner.Absorpsjon skjer nesten aldri når det er stolper med to eller færre linjer.Dette kan skyldes økt kapillærtrykk.For at absorpsjon skal skje i et søylemønster, må kapillærtrykket forårsaket av krumningen til EGaIn-hodet overvinnes (tilleggsfig. 7).Forutsatt en krumningsradius på 12,5 µm for et enkeltrads EGaIn-hode med et søylemønster, er kapillærtrykket ~0,98 atm (~740 Torr).Dette høye Laplace-trykket kan forhindre fukting forårsaket av absorpsjon av EGaIn.Dessuten kan færre rader med kolonner redusere absorpsjonskraften som skyldes kapillærvirkning mellom EGaIn og kolonner.
a Dråper EGAIn på strukturert Cu/PDMS med mønstre av forskjellige bredder (w) i luft (før eksponering for HCl-damp).Rader med stativer som starter fra toppen: 101 (b = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) og 11 (w = 525 µm).b Retningsbestemt fukting av EGaIn på (a) etter eksponering for HCl-damp i 10 min.c, d Fukting av EGaIn på Cu/PDMS med søylestrukturer (c) to rader (w = 75 µm) og (d) en rad (w = 25 µm).Disse bildene ble tatt 10 minutter etter eksponering for HCl-damp.Målestokkene på (a, b) og (c, d) er henholdsvis 5 mm og 200 µm.Pilene i (c) indikerer krumningen til EGaIn-hodet på grunn av absorpsjon.
Absorpsjonen av EGaIn i post-mønstret Cu/PDMS gjør at EGaIn kan dannes ved selektiv fukting (fig. 4).Når en dråpe EGaIn plasseres på et mønstret område og utsettes for HCl-damp, kollapser EGaIn-dråpen først, og danner en liten kontaktvinkel når syren fjerner belegg.Deretter begynner absorpsjonen fra kanten av dråpen.Mønstring med stort område kan oppnås fra EGaIn i centimeterskala (fig. 4a, c).Siden absorpsjon bare skjer på den topografiske overflaten, fukter EGAIn bare mønsterområdet og slutter nesten å bli fuktet når det når en flat overflate.Følgelig observeres skarpe grenser for EGaIn-mønstrene (fig. 4d, e).På fig.4b viser hvordan EGaIn invaderer det ustrukturerte området, spesielt rundt stedet der EGaIn-dråpen opprinnelig ble plassert.Dette var fordi den minste diameteren til EGaIn-dråpene som ble brukt i denne studien overskred bredden på de mønstrede bokstavene.Dråper EGaIn ble plassert på mønsterstedet ved manuell injeksjon gjennom en 27-G nål og sprøyte, noe som resulterte i dråper med en minimumsstørrelse på 1 mm.Dette problemet kan løses ved å bruke mindre EGaIn-dråper.Totalt sett viser figur 4 at spontan fukting av EGaIn kan induseres og rettes mot mikrostrukturerte overflater.Sammenlignet med tidligere arbeid er denne fukteprosessen relativt rask og det kreves ingen ytre kraft for å oppnå fullstendig fukting (tilleggstabell 2).
universitetets emblem, bokstaven b, c i form av et lyn.Det absorberende området er dekket med en rekke kolonner med D = l = 25 µm.d, forstørrede bilder av ribber i e (c).Målestokkene på (a–c) og (d, e) er henholdsvis 5 mm og 500 µm.På (c–e) blir små dråper på overflaten etter adsorpsjon til vann som følge av reaksjonen mellom galliumoksid og HCl-damp.Det ble ikke observert noen signifikant effekt av vanndannelse på fukting.Vann fjernes enkelt gjennom en enkel tørkeprosess.
På grunn av den flytende naturen til EGaIn, kan EGaIn-belagt Cu/PDMS (EGaIn/Cu/PDMS) brukes for fleksible og strekkbare elektroder.Figur 5a sammenligner motstandsendringene til original Cu/PDMS og EGaIn/Cu/PDMS under forskjellige belastninger.Motstanden til Cu/PDMS stiger kraftig i spenning, mens motstanden til EGaIn/Cu/PDMS forblir lav i spenning.På fig.5b og d viser SEM-bilder og tilsvarende EMF-data for rå Cu/PDMS og EGaIn/Cu/PDMS før og etter spenningspåføring.For intakt Cu/PDMS kan deformasjon forårsake sprekker i den harde Cu-filmen avsatt på PDMS på grunn av elastisitetsmismatch.I motsetning til dette, for EGaIn/Cu/PDMS, dekker EGaIn fortsatt Cu/PDMS-substratet godt og opprettholder elektrisk kontinuitet uten sprekker eller betydelig deformasjon selv etter at belastningen er påført.EDS-dataene bekreftet at gallium og indium fra EGaIn var jevnt fordelt på Cu/PDMS-substratet.Det er bemerkelsesverdig at tykkelsen på EGaIn-filmen er den samme og sammenlignbar med høyden på søylene. Dette bekreftes også av ytterligere topografisk analyse, hvor den relative forskjellen mellom tykkelsen på EGaIn-filmen og høyden på stolpen er <10 % (tilleggsfigur 8 og tabell 3). Dette bekreftes også av ytterligere topografisk analyse, hvor den relative forskjellen mellom tykkelsen på EGaIn-filmen og høyden på stolpen er <10 % (tilleggsfigur 8 og tabell 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница межнейшим топографическим анализом столба составляет <10 % (дополнительный рис. 8 og таблица 3). Dette bekreftes også av ytterligere topografisk analyse, hvor den relative forskjellen mellom EGaIn-filmtykkelse og kolonnehøyde er <10 % (tilleggsfigur 8 og tabell 3).进一步的形貌分析也证实了这一点，其中EGaIn 薄膜厚度与柱子高度之间兛度之间兯具8 和表3）. <10 % Это также было подтверждено дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница межди топографическим анализом й столба составляла <10 % (дополнительный рис. 8 og таблица 3). Dette ble også bekreftet ved ytterligere topografisk analyse, hvor den relative forskjellen mellom EGaIn-filmtykkelse og kolonnehøyde var <10 % (tilleggsfigur 8 og tabell 3).Denne imbibisjonsbaserte fuktingen gjør at tykkelsen på EGaIn-belegg kan kontrolleres godt og holdes stabil over store områder, noe som ellers er utfordrende på grunn av dets flytende natur.Figurene 5c og e sammenligner konduktiviteten og motstanden mot deformasjon av den originale Cu/PDMS og EGaIn/Cu/PDMS.I demoen ble LED-en slått på når den ble koblet til urørte Cu/PDMS- eller EGaIn/Cu/PDMS-elektroder.Når intakt Cu/PDMS strekkes, slås LED-en av.Imidlertid forble EGaIn/Cu/PDMS-elektrodene elektrisk tilkoblet selv under belastning, og LED-lyset dimmet bare litt på grunn av den økte elektrodemotstanden.
a Normalisert motstand endres med økende belastning på Cu/PDMS og EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM-bilder og energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) analyse før (øverst) og etter (bunn) polydiplekser lastet i (b) Cu/PDMS og (d) EGaIn/Cu/metylsiloksan.c, e lysdioder festet til (c) Cu/PDMS og (e) EGaIn/Cu/PDMS før (øverst) og etter (bunn) strekk (~30 % stress).Skalalinjen i (b) og (d) er 50 µm.
På fig.6a viser motstanden til EGaIn/Cu/PDMS som en funksjon av belastning fra 0 % til 70 %.Økningen og gjenvinningen av motstand er proporsjonal med deformasjon, noe som stemmer godt overens med Pouillets lov for inkompressible materialer (R/R0 = (1 + ε)2), hvor R er motstand, R0 er startmotstand, ε er tøyning 43. Andre studier har vist at når de strekkes, kan faste partikler i et flytende medium omorganisere seg og bli jevnere fordelt med bedre kohesjon, og dermed redusere økningen i luftmotstand 43, 44 . I dette arbeidet er imidlertid lederen >99% flytende metall etter volum siden Cu-filmene er bare 100 nm tykke. I dette arbeidet er imidlertid lederen >99% flytende metall etter volum siden Cu-filmene er bare 100 nm tykke. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как пленки Cu имеюст тумеют ту 0. Imidlertid består lederen i dette arbeidet av >99% flytende metall i volum, siden Cu-filmene bare er 100 nm tykke.然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99 %Men i dette arbeidet, siden Cu-filmen bare er 100 nm tykk, består lederen av mer enn 99% flytende metall (volum).Derfor forventer vi ikke at Cu vil gi et betydelig bidrag til de elektromekaniske egenskapene til ledere.
en normalisert endring i EGaIn/Cu/PDMS-resistens versus belastning i området 0–70 %.Maksimal stress oppnådd før svikt i PDMS var 70 % (tilleggsfig. 9).Røde prikker er teoretiske verdier forutsagt av Puets lov.b EGaIn/Cu/PDMS konduktivitetsstabilitetstest under gjentatte strekk-strekksykluser.En 30 % belastning ble brukt i den sykliske testen.Målestokken på innsatsen er 0,5 cm.L er den opprinnelige lengden av EGaIn/Cu/PDMS før strekking.
Målefaktoren (GF) uttrykker følsomheten til sensoren og er definert som forholdet mellom endring i motstand og endring i tøyning45.GF økte fra 1,7 ved 10 % tøyning til 2,6 ved 70 % tøyning på grunn av metallets geometriske endring.Sammenlignet med andre strain gauges er GF EGaIn/Cu/PDMS-verdien moderat.Som en sensor, selv om dens GF kanskje ikke er spesielt høy, viser EGaIn/Cu/PDMS robust motstandsendring som respons på en lav signal-til-støy-forholdsbelastning.For å evaluere konduktivitetsstabiliteten til EGaIn/Cu/PDMS, ble den elektriske motstanden overvåket under gjentatte strekk-strekksykluser ved 30 % belastning.Som vist i fig.6b, etter 4000 strekksykluser, holdt motstandsverdien seg innenfor 10 %, noe som kan skyldes den kontinuerlige dannelsen av belegg under gjentatte strekksykluser46.Dermed ble den langsiktige elektriske stabiliteten til EGaIn/Cu/PDMS som en strekkbar elektrode og påliteligheten til signalet som en strekkmåler bekreftet.
I denne artikkelen diskuterer vi de forbedrede fukteegenskapene til GaLM på mikrostrukturerte metalloverflater forårsaket av infiltrasjon.Spontan fullstendig fukting av EGaIn ble oppnådd på søyleformede og pyramidale metalloverflater i nærvær av HCl-damp.Dette kan forklares numerisk basert på Wenzel-modellen og vekeprosessen, som viser størrelsen på post-mikrostrukturen som kreves for veke-indusert fukting.Spontan og selektiv fukting av EGaIn, styrt av en mikrostrukturert metalloverflate, gjør det mulig å påføre jevne belegg over store områder og danne flytende metallmønstre.EGaIn-belagte Cu/PDMS-substrater beholder elektriske forbindelser selv når de strekkes og etter gjentatte strekksykluser, som bekreftet av SEM-, EDS- og elektriske motstandsmålinger.I tillegg endres den elektriske motstanden til Cu/PDMS belagt med EGaIn reversibelt og pålitelig i forhold til den påførte belastningen, noe som indikerer dens potensielle anvendelse som en strekksensor.Mulige fordeler gitt av prinsippet om fukting av flytende metall forårsaket av imbibisjon er som følger: (1) GaLM-belegg og mønster kan oppnås uten ytre kraft;(2) GaLM-fukting på den kobberbelagte mikrostrukturoverflaten er termodynamisk.den resulterende GaLM-filmen er stabil selv under deformasjon;(3) endring av høyden på den kobberbelagte kolonnen kan danne en GaLM-film med kontrollert tykkelse.I tillegg reduserer denne tilnærmingen mengden GaLM som trengs for å danne filmen, ettersom søylene opptar en del av filmen.For eksempel, når en rekke søyler med en diameter på 200 μm (med en avstand mellom søylene på 25 μm) introduseres, er volumet av GaLM som kreves for filmdannelse (~9 μm3/μm2) sammenlignbart med filmvolumet uten søyler.(25 µm3/µm2).Men i dette tilfellet må det tas i betraktning at den teoretiske motstanden, beregnet etter Puets lov, også øker ni ganger.Totalt sett tilbyr de unike fukteegenskapene til flytende metaller omtalt i denne artikkelen en effektiv måte å avsette flytende metaller på en rekke underlag for strekkbar elektronikk og andre nye bruksområder.
PDMS-substrater ble fremstilt ved å blande Sylgard 184-matrise (Dow Corning, USA) og herder i forhold på 10:1 og 15:1 for strekktester, etterfulgt av herding i ovn ved 60°C.Kobber eller silisium ble avsatt på silisiumskiver (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Republikken Korea) og PDMS-substrater med et 10 nm tykt titanlimlag ved bruk av et tilpasset sputtersystem.Søyleformede og pyramideformede strukturer avsettes på et PDMS-substrat ved å bruke en fotolitografisk prosess med silisiumwafer.Bredden og høyden på pyramidemønsteret er henholdsvis 25 og 18 µm.Høyden på stangmønsteret ble festet til 25 µm, 10 µm og 1 µm, og dets diameter og stigning varierte fra 25 til 200 µm.
Kontaktvinkelen til EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republikken Korea) ble målt ved bruk av en dråpeformanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). Kontaktvinkelen til EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republikken Korea) ble målt ved bruk av en dråpeformanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощолидна капомощоднакапо KRUSS, Tyskland). Kantvinkelen til EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republikken Korea) ble målt ved bruk av en dråpeanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). EGaIn（镓75.5%/铟24.5%，>99.99%，Sigma Aldrich，大韩民国）的接触角使用滴形分枼伌彵分枼伌徵量. EGAIn (gallium75,5%/indium24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) ble målt ved bruk av en kontaktanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощрафиса 0,0 SS, Tyskland). Kantvinkelen til EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republikken Korea) ble målt ved bruk av en formhetteanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland).Plasser substratet i et 5 cm × 5 cm × 5 cm glasskammer og plasser en 4–5 μl dråpe EGAIn på substratet med en sprøyte med en diameter på 0,5 mm.For å lage et HCl-dampmedium ble 20 μL HCl-løsning (37 vekt%, Samchun Chemicals, Republikken Korea) plassert ved siden av substratet, som ble fordampet nok til å fylle kammeret innen 10 s.
Overflaten ble avbildet ved bruk av SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republikken Korea).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republikken Korea) ble brukt til å studere elementær kvalitativ analyse og distribusjon.EGaIn/Cu/PDMS overflatetopografi ble analysert ved hjelp av et optisk profilometer (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
For å undersøke endringen i elektrisk ledningsevne under strekksykluser, ble prøvene med og uten EGaIn klemt fast på strekkutstyret (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republikken Korea) og ble elektrisk koblet til en Keithley 2400 kildemåler. For å undersøke endringen i elektrisk ledningsevne under strekksykluser, ble prøvene med og uten EGaIn klemt fast på strekkutstyret (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republikken Korea) og ble elektrisk koblet til en Keithley 2400 kildemåler. Для исследования изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn и без него залиор ия (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республика Корея) og электрически подключали измерителю источника Keithley 2400. For å studere endringen i elektrisk ledningsevne under strekksykluser, ble prøver med og uten EGaIn montert på et strekkutstyr (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republikken Korea) og elektrisk koblet til en Keithley 2400 kildemåler.For å studere endringen i elektrisk ledningsevne under strekksykluser, ble prøver med og uten EGaIn montert på en strekkanordning (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Republikken Korea) og elektrisk koblet til et Keithley 2400 SourceMeter.Måler endringen i motstand i området fra 0 % til 70 % av prøvestammen.For stabilitetstesten ble endringen i motstand målt over 4000 30 % tøyningssykluser.
For mer informasjon om studiedesign, se Nature study abstract koblet til denne artikkelen.
Data som støtter resultatene av denne studien er presentert i tilleggsinformasjonen og rådatafilene.Denne artikkelen inneholder de originale dataene.
Daeneke, T. et al.Flytende metaller: Kjemisk basis og bruksområder.Kjemisk.samfunn.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attributter, fabrikasjon og anvendelser av galliumbaserte flytende metallpartikler. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attributter, fabrikasjon og anvendelser av galliumbaserte flytende metallpartikler.Lin, Y., Genzer, J. og Dickey, MD Egenskaper, fabrikasjon og bruk av galliumbaserte flytende metallpartikler. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD 镓基液态金属颗粒的属性、制造和应用。 Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MDLin, Y., Genzer, J. og Dickey, MD Egenskaper, fabrikasjon og bruk av galliumbaserte flytende metallpartikler.Avansert vitenskap.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Mot kretser med alt mykt materiale: prototyper av kvasi-væske enheter med memristor-karakteristikk. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Mot kretser med alt myk materie: prototyper av kvasi-væske enheter med memristor-karakteristikk.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD og Velev, OD Til kretser som utelukkende består av myk materie: Prototyper av kvasi-væske enheter med memristorkarakteristikk. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD 走向全软物质电路：具有忆阻器特性的准液体设备原型。 Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD og Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD, og ​​Velev, OD mot kretser all myk materie: Prototyper av kvasi-fluidenheter med memristoregenskaper.Avansert alma mater.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Flytende metallbrytere for miljøvennlig elektronikk. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Flytende metallbrytere for miljøvennlig elektronikk.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Flytende metallbrytere for miljøvennlig elektronikk. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK 用于环境响应电子产品的液态金属开关. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RKBilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Flytende metallbrytere for miljøvennlig elektronikk.Avansert alma mater.Grensesnitt 4, 1600913 (2017).
Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionisk strømretting i bløtstoffdioder med flytende metallelektroder. Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionisk strømretting i bløtstoffdioder med flytende metallelektroder. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Således JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionisk strømliking i myke materialdioder med flytende metallelektroder. Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD 带液态金属电极的软物质二极管中的离子电流整流。 Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD og Velev, OD Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Således JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionisk strømliking i myke materialdioder med flytende metallelektroder.Utvidede muligheter.alma mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrikasjon for helt myke elektroniske enheter med høy tetthet basert på flytende metall. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrikasjon for helt myke elektroniske enheter med høy tetthet basert på flytende metall.Kim, M.-G., Brown, DK og Brand, O. Nanofabrikasjon for helmyke og flytende metallbaserte elektroniske enheter med høy tetthet.Kim, M.-G., Brown, DK, og Brand, O. Nanofabrikasjon av høydensitet, helmyk elektronikk basert på flytende metall.Nasjonal kommune.11, 1–11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn er et utvidbart elektronskall for interaktiv elektronikk og CT-lokalisering.alma mater.Nivå.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted elektronikk: ultratynt strekkbar Ag–In–Ga E-skin for bioelektronikk og menneske–maskin interaksjon. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted elektronikk: ultratynt strekkbar Ag–In–Ga E-skin for bioelektronikk og menneske–maskin interaksjon.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. og Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin for Bioelectronics and Human-Machine Interaction. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted elektronikk: ultratynt stretchable Ag-In-Ga E-skin for bioelektronikk og menneske-maskin interaksjon. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprinted elektronikk: ultratynt stretchable Ag-In-Ga E-skin for bioelektronikk og menneske-maskin interaksjon.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. og Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: Ag-In-Ga Ultrathin Stretchable Electronic Skin for Bioelectronics and Human-Machine Interaction.ACS
Yang, Y. et al.Ultra-strekkfaste og konstruerte triboelektriske nanogeneratorer basert på flytende metaller for bærbar elektronikk.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. et al.Utvikling av mikrokanalstrukturer for overstrekksensorer basert på flytende metaller ved romtemperatur.vitenskapen.Rapport 9, 1–8 (2019).
Chen, G. et al.EGAIn superelastiske komposittfibre tåler 500 % strekkbelastning og har utmerket elektrisk ledningsevne for bærbar elektronikk.ACS refererer til alma mater.Grensesnitt 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direkte ledninger av eutektisk gallium–indium til en metallelektrode for myke sensorsystemer. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direkte ledninger av eutektisk gallium–indium til en metallelektrode for myke sensorsystemer.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. og Bae, J. Direkte binding av eutektisk gallium-indium til metallelektroder for myke sensorsystemer. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. 将共晶镓-铟直接连接到软传感器系统的金属电极。 Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. 就共晶gallium-indium metallelektrode direkte festet til mykt sensorsystem.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. og Bae, J. Direkte binding av eutektisk gallium-indium til metallelektroder for myke sensorsystemer.ACS refererer til alma mater.Grensesnitt 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.Flytende metallfylte magnetoreologiske elastomerer med positiv piezoelektrisitet.Nasjonal kommune.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Svært følsomme og strekkbare flerdimensjonale strekkmålere med perkolasjonsgitter av forspente anisotrope metallnanotråder.Nanolet.15, 5240–5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Universelt autonom selvhelbredende elastomer med høy strekkbarhet. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Universelt autonom selvhelbredende elastomer med høy strekkbarhet.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. og Zhang, L. Allsidig selvhelbredende elastomer med høy elastisitet. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. 具有高拉伸性的通用自主自愈弹性体。 Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L.Guo H., Han Yu, Zhao W., Yang J. og Zhang L. Allsidige offline selvhelbredende høystrekkelastomerer.Nasjonal kommune.11, 1–9 (2020).
Zhu X. et al.Ultratrukne metalliske ledende fibre ved bruk av flytende metalllegeringskjerner.Utvidede muligheter.alma mater.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. et al.Studie av elektrokjemisk pressing av flytende metalltråd.ACS refererer til alma mater.Grensesnitt 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. et al.Fordampningsindusert sintring av flytende metalldråper med bionanofibre for fleksibel elektrisk ledningsevne og responsiv aktivering.Nasjonal kommune.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD et al.Eutektisk gallium-indium (EGaIn): flytende metalllegering som brukes til å danne stabile strukturer i mikrokanaler ved romtemperatur.Utvidede muligheter.alma mater.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Flytende metallbasert myk robotikk: materialer, design og applikasjoner. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Flytende metallbasert myk robotikk: materialer, design og applikasjoner.Wang, X., Guo, R. og Liu, J. Myk robotikk basert på flytende metall: materialer, konstruksjon og applikasjoner. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. 基于液态金属的软机器人：材料、设计和应用。 Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Flytende metallbaserte myke roboter: materialer, design og applikasjoner.Wang, X., Guo, R. og Liu, J. Myke roboter basert på flytende metall: materialer, konstruksjon og bruksområder.Avansert alma mater.teknologi 4, 1800549 (2019).