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基于液态金属纳米墨水的柔性导电线路制备及应用研究

基于液态金属纳米墨水的柔性导电线路制备及应用研究

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作者：张铭扬哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

与传统固态金属材料相比,室温液态金属中的共晶镓铟合金（EGa In）具有低熔点,在室温下保持液态这一独特性质,使其在柔性电子领域具有广阔的应用前景。EGa In在保留金属材料良好导电性同时具有低毒性,能够满足实际生活中电子产品导电性... 详细信息

与传统固态金属材料相比,室温液态金属中的共晶镓铟合金（EGa In）具有低熔点,在室温下保持液态这一独特性质,使其在柔性电子领域具有广阔的应用前景。EGa In在保留金属材料良好导电性同时具有低毒性,能够满足实际生活中电子产品导电性能需求和使用安全性要求。在柔性电子产品的制造过程中,柔性导电线路制备和柔性基底/封装材料的选择都是保证产品满足柔性的关键环节,然而,EGa In的高表面张力,使得其难以与接触（基底/衬底）材料形成稳定良好的接触,接触材料与EGa In之间的润湿性问题给制造基于EGa In的线路带来了一定的挑战。本文通过将液态金属EGa In纳米化,制备了聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone,PVP）稳定的液态金属纳米墨水,实现了多种的线路成形工艺,并进行了相关柔性电子器件的应用研究。本文通过超声法制备的PVP稳定的液态金属纳米墨水具有良好的分散稳定性和生物相容性,改善了液态金属与各种刚/柔性基底之间的润湿性,扩大了基底材料的选择范围,结合烧结操作可以实现柔性电路的制备。对于PVP稳定的液态金属纳米墨水,采用直写法可以将墨水直接书写在多种基底材料表面,结合机械烧结对线路施加压力实现了液态金属纳米颗粒的再连接,制备了具有即时性的个性化导电线路。同时,该种液态金属纳米墨水具有优异的胶体稳定性,使其还能够采用喷墨打印法进行线路图案化,喷墨打印的液态金属图案具有良好完整性和清晰度。此外,PVP稳定的液态金属纳米墨水通过调节稳定剂的添加量实现了抽滤式的柔性液态金属滤纸片的制备,采用摩擦烧结无需工具即可恢复滤纸片的导电性能,结合激光加工可以得到指定结构和尺寸的导电图案。本文开发的多种线路成形工艺为实现基于液态金属纳米墨水的一系列柔性电子器件提供了良好基础。对直写式柔性电路进行热塑封装提高了线路的稳定性和耐久性,连接LED元器件制造了满足柔性变形需求的柔性电路板。对于抽滤法结合激光加工制备的液态金属导电线路图案,将其封装在Ecoflex的柔性材料中,可以制备用于近场通信（Near Field Communication,NFC）电子标签的液态金属天线、用于压力传感的叉指电容器以及用于肌电信号监测的柔性电极。当前的工作探究了基于液态金属纳米墨水多种的柔性导电线路成形工艺,以及相关柔性电子器件的通用制造策略,为其在印刷电子领域的应用提供了新的可能性。此外,兼具稳定性和生物相容性的液态金属纳米墨水为将来可植入的柔性电子器件的开发提供了新思路。

关键词：液态金属纳米墨水柔性电子直写式抽滤式喷墨打印式

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