Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Viser en karrusel med tre dias på én gang.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
Her demonstrerer vi de imbibition-inducerede, spontane og selektive befugtningsegenskaber af gallium-baserede flydende metallegeringer på metalliserede overflader med mikroskala topografiske træk.Gallium-baserede flydende metallegeringer er fantastiske materialer med enorm overfladespænding.Derfor er det svært at forme dem til tynde film.Fuldstændig befugtning af den eutektiske legering af gallium og indium blev opnået på den mikrostrukturerede kobberoverflade i nærværelse af HCl-dampe, som fjernede det naturlige oxid fra den flydende metallegering.Denne befugtning er numerisk forklaret baseret på Wenzel-modellen og osmoseprocessen, hvilket viser, at mikrostrukturstørrelsen er kritisk for effektiv osmose-induceret befugtning af flydende metaller.Derudover demonstrerer vi, at spontan befugtning af flydende metaller selektivt kan rettes langs mikrostrukturerede områder på en metaloverflade for at skabe mønstre.Denne enkle proces belægger og former flydende metal jævnt over store områder uden ekstern kraft eller kompleks håndtering.Vi har vist, at flydende metalmønstrede substrater bevarer elektriske forbindelser, selv når de strækkes og efter gentagne strækningscyklusser.
Galliumbaserede flydende metallegeringer (GaLM) har tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af deres attraktive egenskaber såsom lavt smeltepunkt, høj elektrisk ledningsevne, lav viskositet og flow, lav toksicitet og høj deformerbarhed1,2.Rent gallium har et smeltepunkt på omkring 30 °C, og når det smeltes sammen i eutektiske sammensætninger med nogle metaller såsom In og Sn, er smeltepunktet under stuetemperatur.De to vigtige GaLM'er er gallium indium eutektisk legering (EGaIn, 75% Ga og 25% In efter vægt, smeltepunkt: 15,5 °C) og gallium indium tin eutektisk legering (GaInSn eller galinstan, 68,5% Ga, 21,5% In, og 10 % tin, smeltepunkt: ~11 °C)1.2.På grund af deres elektriske ledningsevne i væskefasen bliver GaLM'er aktivt undersøgt som strækbare eller deformerbare elektroniske veje til en række anvendelser, herunder elektroniske3,4,5,6,7,8,9 strainede eller buede sensorer 10, 11, 12 , 13, 14 og ledninger 15, 16, 17. Fremstillingen af ​​sådanne anordninger ved aflejring, print og mønstre fra GaLM kræver viden og kontrol af grænsefladeegenskaberne af GaLM og dets underliggende substrat.GaLM'er har høj overfladespænding (624 mNm-1 for EGaIn18,19 og 534 mNm-1 for Galinstan20,21), hvilket kan gøre dem svære at håndtere eller manipulere.Dannelsen af ​​en hård skorpe af naturligt galliumoxid på GaLM-overfladen under omgivende forhold giver en skal, der stabiliserer GaLM i en ikke-sfærisk form.Denne egenskab gør det muligt at printe GaLM, implanteres i mikrokanaler og mønstres med grænsefladestabiliteten opnået af oxider19,22,23,24,25,26,27.Den hårde oxidskal gør det også muligt for GaLM at klæbe til de fleste glatte overflader, men forhindrer lavviskositetsmetaller i at flyde frit.Udbredelse af GaLM på de fleste overflader kræver kraft for at bryde oxidskallen28,29.
Oxidskaller kan fjernes med fx stærke syrer eller baser.I fravær af oxider danner GaLM dråber på næsten alle overflader på grund af deres enorme overfladespænding, men der er undtagelser: GaLM fugter metalsubstrater.Ga danner metalliske bindinger med andre metaller gennem en proces kendt som "reaktiv befugtning"30,31,32.Denne reaktive befugtning undersøges ofte i fravær af overfladeoxider for at lette metal-til-metal-kontakt.Men selv med native oxider i GaLM er det blevet rapporteret, at metal-til-metal-kontakter dannes, når oxider går i stykker ved kontakter med glatte metaloverflader29.Reaktiv befugtning resulterer i lave kontaktvinkler og god befugtning af de fleste metalunderlag33,34,35.
Til dato er der udført mange undersøgelser af brugen af ​​de gunstige egenskaber ved reaktiv befugtning af GaLM med metaller for at danne et GaLM-mønster.For eksempel er GaLM blevet påført på mønstrede massive metalbaner ved at smøre, rulle, sprøjte eller skyggemaskere34, 35, 36, 37, 38. Selektiv befugtning af GaLM på hårde metaller gør det muligt for GaLM at danne stabile og veldefinerede mønstre.Den høje overfladespænding af GaLM forhindrer imidlertid dannelsen af ​​meget ensartede tynde film selv på metalsubstrater.For at løse dette problem har Lacour et al.rapporterede en metode til fremstilling af glatte, flade GaLM tynde film over store områder ved at fordampe rent gallium på guldbelagte mikrostrukturerede substrater37,39.Denne metode kræver vakuumaflejring, som er meget langsom.Derudover er GaLM generelt ikke tilladt for sådanne enheder på grund af mulig skørhed40.Fordampning afsætter også materialet på underlaget, så der kræves et mønster for at skabe mønsteret.Vi leder efter en måde at skabe glatte GaLM-film og -mønstre ved at designe topografiske metalelementer, som GaLM befugter spontant og selektivt i fravær af naturlige oxider.Her rapporterer vi den spontane selektive befugtning af oxidfri EGaIn (typisk GaLM) ved hjælp af den unikke befugtningsadfærd på fotolitografisk strukturerede metalsubstrater.Vi skaber fotolitografisk definerede overfladestrukturer på mikroniveau for at studere imbibition og derved kontrollere befugtningen af ​​oxidfri flydende metaller.De forbedrede befugtningsegenskaber af EGaIn på mikrostrukturerede metaloverflader forklares ved numerisk analyse baseret på Wenzel-modellen og imprægneringsprocessen.Endelig demonstrerer vi stort områdeaflejring og mønsterdannelse af EGAIn gennem selvabsorption, spontan og selektiv befugtning på mikrostrukturerede metalaflejringsoverflader.Trækelektroder og strain gauges, der inkorporerer EGaIn-strukturer, præsenteres som potentielle anvendelser.
Absorption er kapillær transport, hvor væsken invaderer den teksturerede overflade 41, hvilket letter spredningen af ​​væsken.Vi undersøgte befugtningsadfærden af ​​EGaIn på metalmikrostrukturerede overflader aflejret i HCl-damp (fig. 1).Kobber blev valgt som metal til den underliggende overflade. På flade kobberoverflader viste EGaIn en lav kontaktvinkel på <20° i nærvær af HCl-damp på grund af reaktiv befugtning31 (Supplerende Fig. 1). På flade kobberoverflader viste EGaIn en lav kontaktvinkel på <20° i nærvær af HCl-damp på grund af reaktiv befugtning31 (Supplerende Fig. 1). На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутствии паров HCl из-завизавревосид нительный рисунок 1). På flade kobberoverflader viste EGaIn en lav <20° kontaktvinkel i nærvær af HCl-damp på grund af reaktiv befugtning31 (Supplerende figur 1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下觅觅觅內伒凎°1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 HCl из-госа полнительный рисунок 1). På flade kobberoverflader udviser EGaIn lave <20° kontaktvinkler i nærvær af HCl-damp på grund af reaktiv befugtning (Supplerende figur 1).Vi målte de tætte kontaktvinkler af EGaIn på bulk kobber og på kobberfilm aflejret på polydimethylsiloxan (PDMS).
en søjleformet (D (diameter) = l (afstand) = 25 µm, d (afstand mellem søjler) = 50 µm, H (højde) = 25 µm) og pyramideformede (bredde = 25 µm, højde = 18 µm) mikrostrukturer på Cu /PDMS-substrater.b Tidsafhængige ændringer i kontaktvinklen på flade substrater (uden mikrostrukturer) og arrays af søjler og pyramider indeholdende kobberbelagt PDMS.c, d Intervalregistrering af (c) set fra siden og (d) set ovenfra af EGaIn befugtning på overfladen med søjler i nærvær af HCl-damp.
For at vurdere effekten af ​​topografi på befugtning blev PDMS-substrater med et søjleformet og pyramideformet mønster fremstillet, hvorpå kobber blev aflejret med et titanium-klæbende lag (fig. 1a).Det blev påvist, at den mikrostrukturerede overflade af PDMS-substratet var konformt belagt med kobber (Supplerende Fig. 2).De tidsafhængige kontaktvinkler for EGaIn på mønstret og plan kobberforstøvet PDMS (Cu/PDMS) er vist i fig.1b.Kontaktvinklen for EGAIn på mønstret kobber/PDMS falder til 0° inden for ~1 min.Den forbedrede befugtning af EGaIn-mikrostrukturer kan udnyttes af Wenzel-ligningen\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), hvor \({\theta}_{{ru}}\) repræsenterer kontaktvinklen for den ru overflade, \ (r \) Overfladeruhed (= faktisk areal/tilsyneladende areal) og kontaktvinkel på planet \({\theta}_{0}\).Resultaterne af forbedret befugtning af EGaIn på de mønstrede overflader er i god overensstemmelse med Wenzel-modellen, da r-værdierne for bagsiden og pyramideformede overflader er henholdsvis 1,78 og 1,73.Dette betyder også, at en EGaIn-dråbe placeret på en mønstret overflade vil trænge ind i rillerne på det underliggende relief.Det er vigtigt at bemærke, at der i dette tilfælde dannes meget ensartede flade film, i modsætning til tilfældet med EGaIn på ustrukturerede overflader (Supplerende Fig. 1).
Fra fig.1c,d (Supplerende film 1) kan det ses, at efter 30 s, når den tilsyneladende kontaktvinkel nærmer sig 0°, begynder EGaIn at diffundere længere væk fra kanten af ​​dråben, hvilket er forårsaget af absorption (Supplerende film 2 og Supplerende Fig. 3).Tidligere undersøgelser af flade overflader har forbundet tidsskalaen for reaktiv befugtning med overgangen fra inerti til viskøs befugtning.Størrelsen af ​​terrænet er en af ​​nøglefaktorerne for at bestemme, om selvansugende opstår.Ved at sammenligne overfladeenergien før og efter imbibition fra et termodynamisk synspunkt, blev den kritiske kontaktvinkel \({\theta}_{c}\) for imbibition udledt (se Supplerende diskussion for detaljer).Resultatet \({\theta}_{c}\) er defineret som \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) hvor \({\phi}_{s}\) repræsenterer brøkarealet øverst i posten og \(r\ ) repræsenterer overfladeruhed. Imbibition kan forekomme, når \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dvs. kontaktvinklen på en flad overflade. Imbibition kan forekomme, når \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), dvs. kontaktvinklen på en flad overflade. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактный угол на плоской поверхности. Absorption kan forekomme, når \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), altså kontaktvinklen på en flad overflade.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. Sugning opstår, når \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), kontaktvinkel på planet.For eftermønstrede overflader beregnes \(r\) og \({\phi}_{s}\) som \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) og \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), hvor \(R\) repræsenterer kolonneradius, \(H\) repræsenterer kolonnehøjden, og \ ( d\) er afstanden mellem to søjlers centre (fig. 1a).For den poststrukturerede overflade i fig.1a, er vinklen \({\theta}_{c}\) 60°, hvilket er større end \({\theta}_{0}\)-planet (~25° ) i HCl-dampoxidfri EGaIn på Cu/PDMS.Derfor kan EGaIn-dråber let invadere den strukturerede kobberaflejringsoverflade i fig. 1a på grund af absorption.
For at undersøge effekten af ​​den topografiske størrelse af mønsteret på befugtningen og absorptionen af ​​EGaIn, varierede vi størrelsen af ​​de kobberbelagte søjler.På fig.2 viser kontaktvinklerne og absorptionen af ​​EGaIn på disse substrater.Afstanden l mellem søjlerne er lig med diameteren af ​​søjlerne D og varierer fra 25 til 200 μm.Højden på 25 µm er konstant for alle søjler.\({\theta}_{c}\) falder med stigende søjlestørrelse (tabel 1), hvilket betyder, at absorption er mindre sandsynlig på substrater med større søjler.For alle testede størrelser er \({\theta}_{c}\) større end \({\theta}_{0}\), og der forventes vægedannelse.Absorption observeres dog sjældent for eftermønstrede overflader med l og D 200 µm (fig. 2e).
en tidsafhængig kontaktvinkel for EGaIn på en Cu/PDMS-overflade med søjler af forskellig størrelse efter eksponering for HCl-damp.b–e Set ovenfra og fra siden af ​​EGAIn befugtning.bD = 1 = 25 µm, r = 1,78.i D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = 1 = 100 µm, r = 1,20.eD = 1 = 200 µm, r = 1,10.Alle stolper har en højde på 25 µm.Disse billeder blev taget mindst 15 minutter efter eksponering for HCl-damp.Dråberne på EGaIn er vand, der stammer fra reaktionen mellem galliumoxid og HCl-damp.Alle skalabjælker i (b – e) er 2 mm.
Et andet kriterium til bestemmelse af sandsynligheden for væskeabsorption er fikseringen af ​​væsken på overfladen, efter at mønsteret er blevet påført.Kurbin et al.Det er blevet rapporteret, at når (1) stolperne er høje nok, vil dråber blive absorberet af den mønstrede overflade;(2) afstanden mellem søjlerne er ret lille;og (3) væskens kontaktvinkel på overfladen er tilstrækkelig lille42.Numerisk skal \({\theta}_{0}\) af væsken på et plan indeholdende det samme substratmateriale være mindre end den kritiske kontaktvinkel for pinning, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), til absorption uden fastgørelse mellem indlæg, hvor \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ ). sqrt {2}-1)l\big\})\) (se yderligere diskussion for detaljer).Værdien af ​​\({\theta}_{c,{pin}}\) afhænger af pin-størrelsen (tabel 1).Bestem den dimensionsløse parameter L = l/H for at vurdere, om absorptionen sker.For absorption skal L være mindre end tærskelstandarden, \({L}_{c}\) = 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.Da L-søjlen på 200 μm er 8, hvilket er større end værdien af ​​\({L}_{c}\), forekommer EGaIn-absorption ikke.For yderligere at teste effekten af ​​geometri observerede vi selv-priming af forskellige H og l (Supplerende Fig. 5 og Supplerende Tabel 1).Resultaterne stemmer godt overens med vores beregninger.Således viser L sig at være en effektiv prædiktor for absorption;flydende metal holder op med at absorbere på grund af pinning, når afstanden mellem søjlerne er relativt stor i forhold til højden af ​​søjlerne.
Befugtningsevnen kan bestemmes ud fra underlagets overfladesammensætning.Vi undersøgte effekten af ​​overfladesammensætning på befugtning og absorption af EGaIn ved samtidig aflejring af Si og Cu på søjler og planer (Supplerende Fig. 6).EGAIn-kontaktvinklen falder fra ~160° til ~80°, når den binære Si/Cu-overflade øges fra 0 til 75 % ved et fladt kobberindhold.For en 75% Cu/25% Si overflade er \({\theta}_{0}\) ~80°, hvilket svarer til \({L}_{c}\) lig med 0,43 ifølge ovenstående definition .Fordi søjlerne l = H = 25 μm med L lig med 1 større end tærsklen \({L}_{c}\), absorberes 75% Cu/25% Si overfladen efter mønsterdannelse ikke på grund af immobilisering.Da kontaktvinklen for EGaIn øges med tilsætning af Si, kræves der højere H eller lavere l for at overvinde pinning og imprægnering.Da kontaktvinklen (dvs. \({\theta}_{0}\)) derfor afhænger af overfladens kemiske sammensætning, kan den også afgøre, om imbibition sker i mikrostrukturen.
EgaIn-absorption på mønstret kobber/PDMS kan fugte det flydende metal til nyttige mønstre.For at evaluere det mindste antal søjlelinjer, der forårsager imbibition, blev befugtningsegenskaberne af EGaIn observeret på Cu/PDMS med post-mønsterlinjer indeholdende forskellige søjlelinjenumre fra 1 til 101 (fig. 3).Befugtning forekommer hovedsageligt i området efter mønster.EGAIn vægevirkningen blev pålideligt observeret, og vægevæggen steg med antallet af rækker af kolonner.Absorption forekommer næsten aldrig, når der er stolper med to eller færre streger.Dette kan skyldes øget kapillartryk.For at absorption kan forekomme i et søjleformet mønster, skal kapillartrykket forårsaget af krumningen af ​​EGaIn-hovedet overvindes (Supplerende Fig. 7).Under antagelse af en krumningsradius på 12,5 µm for et enkelt række EGaIn-hoved med et søjlemønster, er kapillærtrykket ~0,98 atm (~740 Torr).Dette høje Laplace-tryk kan forhindre befugtning forårsaget af absorption af EGaIn.Desuden kan færre rækker af søjler reducere absorptionskraften, der skyldes kapillærvirkning mellem EGaIn og søjler.
a Dråber af EGaIn på struktureret Cu/PDMS med mønstre af forskellig bredde (w) i luft (før eksponering for HCl-damp).Rækker af stativer startende fra toppen: 101 (b = 5025 µm), 51 (b = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) og 11 (b = 525 µm).b Retningsbestemt befugtning af EGaIn på (a) efter eksponering for HCl-damp i 10 min.c, d Befugtning af EGaIn på Cu/PDMS med søjlestrukturer (c) to rækker (w = 75 µm) og (d) en række (w = 25 µm).Disse billeder blev taget 10 minutter efter eksponering for HCl-damp.Skala søjler på (a, b) og (c, d) er henholdsvis 5 mm og 200 µm.Pilene i (c) angiver krumningen af ​​EGaIn-hovedet på grund af absorption.
Absorptionen af ​​EGaIn i post-mønstret Cu/PDMS tillader EGaIn at blive dannet ved selektiv befugtning (fig. 4).Når en dråbe EGaIn placeres på et mønstret område og udsættes for HCl-damp, kollapser EGaIn-dråben først og danner en lille kontaktvinkel, efterhånden som syren fjerner kalk.Efterfølgende begynder absorptionen fra kanten af ​​dråben.Mønstring med stort område kan opnås fra EGAIn i centimeter-skala (fig. 4a, c).Da absorption kun forekommer på den topografiske overflade, befugter EGAIn kun mønsterområdet og stopper næsten med at blive fugtet, når det når en flad overflade.Som følge heraf observeres skarpe grænser for EGaIn-mønstrene (fig. 4d, e).På fig.4b viser, hvordan EGaIn invaderer det ustrukturerede område, især omkring det sted, hvor EGaIn-dråben oprindeligt blev placeret.Dette skyldtes, at den mindste diameter af EGaIn-dråberne, der blev brugt i denne undersøgelse, oversteg bredden af ​​de mønstrede bogstaver.Dråber af EGaIn blev anbragt på mønsterstedet ved manuel injektion gennem en 27-G nål og sprøjte, hvilket resulterede i dråber med en minimumsstørrelse på 1 mm.Dette problem kan løses ved at bruge mindre EGaIn-dråber.Samlet set viser figur 4, at spontan befugtning af EGaIn kan induceres og dirigeres til mikrostrukturerede overflader.Sammenlignet med tidligere arbejde er denne befugtningsproces relativt hurtig, og der kræves ingen ekstern kraft for at opnå fuldstændig befugtning (Supplerende tabel 2).
universitetets emblem, bogstavet b, c i form af et lyn.Det absorberende område er dækket af en række søjler med D = l = 25 µm.d, forstørrede billeder af ribben i e (c).Skalabjælker på (a–c) og (d, e) er henholdsvis 5 mm og 500 µm.På (c–e) bliver små dråber på overfladen efter adsorption til vand som følge af reaktionen mellem galliumoxid og HCl-damp.Der blev ikke observeret nogen signifikant effekt af vanddannelse på befugtning.Vand fjernes nemt gennem en simpel tørreproces.
På grund af den flydende natur af EGaIn kan EGaIn coated Cu/PDMS (EGaIn/Cu/PDMS) bruges til fleksible og strækbare elektroder.Figur 5a sammenligner modstandsændringerne af original Cu/PDMS og EGaIn/Cu/PDMS under forskellige belastninger.Modstanden af ​​Cu/PDMS stiger kraftigt i spænding, mens modstanden af ​​EGaIn/Cu/PDMS forbliver lav i spænding.På fig.5b og d viser SEM-billeder og tilsvarende EMF-data af rå Cu/PDMS og EGaIn/Cu/PDMS før og efter spændingspåføring.For intakt Cu/PDMS kan deformation forårsage revner i den hårde Cu-film aflejret på PDMS på grund af elasticitetsmismatch.I modsætning hertil, for EGaIn/Cu/PDMS, dækker EGaIn stadig Cu/PDMS-substratet godt og opretholder den elektriske kontinuitet uden nogen revner eller væsentlig deformation, selv efter belastning er påført.EDS-dataene bekræftede, at gallium og indium fra EGaIn var jævnt fordelt på Cu/PDMS-substratet.Det er bemærkelsesværdigt, at tykkelsen af ​​EGaIn-filmen er den samme og sammenlignelig med højden af ​​søjlerne. Dette bekræftes også af yderligere topografisk analyse, hvor den relative forskel mellem tykkelsen af ​​EGaIn-filmen og højden af ​​stolpen er <10% (Supplerende Fig. 8 og Tabel 3). Dette bekræftes også af yderligere topografisk analyse, hvor den relative forskel mellem tykkelsen af ​​EGaIn-filmen og højden af ​​stolpen er <10% (Supplerende Fig. 8 og Tabel 3). Это также подтверждается дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница меженди топографическим анализом столба составляет <10% (дополнительный рис. 8 og таблица 3). Dette bekræftes også af yderligere topografisk analyse, hvor den relative forskel mellem EGaIn-filmtykkelse og søjlehøjde er <10% (Supplerende Fig. 8 og Tabel 3).I 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 blev også bekræftet ved yderligere topografisk analyse, hvor den relative forskel mellem EGaIn-filmtykkelse og søjlehøjde var <10% (Supplerende Fig. 8 og Tabel 3).Denne imbibition-baserede befugtning gør det muligt at kontrollere tykkelsen af ​​EGaIn-belægninger godt og holdes stabil over store områder, hvilket ellers er udfordrende på grund af dets flydende natur.Figur 5c og e sammenligner ledningsevnen og modstanden mod deformation af det originale Cu/PDMS og EGaIn/Cu/PDMS.I demoen tændte LED'en, når den var tilsluttet uberørte Cu/PDMS- eller EGaIn/Cu/PDMS-elektroder.Når intakt Cu/PDMS strækkes, slukker LED'en.Imidlertid forblev EGaIn/Cu/PDMS-elektroderne elektrisk forbundet selv under belastning, og LED-lyset blev kun dæmpet lidt på grund af den øgede elektrodemodstand.
a Normaliserede modstandsændringer med stigende belastning på Cu/PDMS og EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM-billeder og energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) analyse før (øverst) og efter (nederst) polydiplekser indlæst i (b) Cu/PDMS og (d) EGaIn/Cu/methylsiloxan.c, e LED'er knyttet til (c) Cu/PDMS og (e) EGaIn/Cu/PDMS før (øverst) og efter (nederst) strækning (~30 % stress).Skalaen i (b) og (d) er 50 µm.
På fig.6a viser modstanden af ​​EGaIn/Cu/PDMS som funktion af belastning fra 0% til 70%.Forøgelsen og genvindingen af ​​modstand er proportional med deformation, hvilket er i god overensstemmelse med Pouillets lov for inkompressible materialer (R/R0 = (1 + ε)2), hvor R er modstand, R0 er initial modstand, ε er spænding 43. Andre undersøgelser har vist, at når de strækkes, kan faste partikler i et flydende medium omarrangere sig og blive mere jævnt fordelt med bedre kohæsion og derved reducere stigningen i modstand 43, 44 . I dette arbejde er lederen imidlertid >99% flydende metal efter volumen, da Cu-filmene kun er 100 nm tykke. I dette arbejde er lederen imidlertid >99% flydende metal efter volumen, da Cu-filmene kun er 100 nm tykke. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как пленки Cu имещи тумеют ту 0. Men i dette arbejde består lederen af ​​>99% flydende metal efter volumen, da Cu-filmene kun 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 arbejde, da Cu-filmen kun er 100 nm tyk, består lederen af ​​mere end 99% flydende metal (i volumen).Derfor forventer vi ikke, at Cu yder et væsentligt bidrag til lederes elektromekaniske egenskaber.
en normaliseret ændring i EGaIn/Cu/PDMS-resistens versus belastning i området 0–70 %.Den maksimale spænding nået før svigt af PDMS var 70 % (Supplerende Fig. 9).Røde prikker er teoretiske værdier forudsagt af Puets lov.b EGaIn/Cu/PDMS konduktivitetsstabilitetstest under gentagne stræk-strækcyklusser.En 30% stamme blev anvendt i den cykliske test.Skalastangen på indsatsen er 0,5 cm.L er den indledende længde af EGaIn/Cu/PDMS før strækning.
Målefaktoren (GF) udtrykker sensorens følsomhed og er defineret som forholdet mellem ændring i modstand og ændring i belastning45.GF steg fra 1,7 ved 10 % belastning til 2,6 ved 70 % belastning på grund af metallets geometriske ændring.Sammenlignet med andre strain gauges er GF EGaIn/Cu/PDMS-værdien moderat.Som en sensor, selvom dens GF måske ikke er særlig høj, udviser EGaIn/Cu/PDMS robust modstandsændring som reaktion på en lav signal-til-støj-forholdsbelastning.For at evaluere konduktivitetsstabiliteten af ​​EGaIn/Cu/PDMS blev den elektriske modstand overvåget under gentagne stretch-stretch-cyklusser ved 30% belastning.Som vist i fig.6b, efter 4000 strækcyklusser forblev modstandsværdien inden for 10 %, hvilket kan skyldes den kontinuerlige dannelse af skæl under gentagne strækcyklusser46.Således blev den langsigtede elektriske stabilitet af EGaIn/Cu/PDMS som en strækbar elektrode og pålideligheden af ​​signalet som en strain gauge bekræftet.
I denne artikel diskuterer vi GaLMs forbedrede befugtningsegenskaber på mikrostrukturerede metaloverflader forårsaget af infiltration.Spontan fuldstændig befugtning af EGaIn blev opnået på søjleformede og pyramideformede metaloverflader i nærvær af HCl-damp.Dette kan forklares numerisk baseret på Wenzel-modellen og vægeprocessen, som viser størrelsen af ​​den post-mikrostruktur, der kræves til væge-induceret befugtning.Spontan og selektiv befugtning af EGaIn, styret af en mikrostruktureret metaloverflade, gør det muligt at påføre ensartede belægninger over store områder og danne flydende metalmønstre.EGaIn-belagte Cu/PDMS-substrater bevarer elektriske forbindelser, selv når de strækkes og efter gentagne strækcyklusser, som bekræftet af SEM, EDS og elektriske modstandsmålinger.Derudover ændres den elektriske modstand af Cu/PDMS belagt med EGaIn reversibelt og pålideligt i forhold til den påførte belastning, hvilket indikerer dens potentielle anvendelse som en belastningssensor.Mulige fordele tilvejebragt af flydende metalbefugtningsprincippet forårsaget af imbibition er som følger: (1) GaLM-belægning og mønsterdannelse kan opnås uden ydre kraft;(2) GaLM-befugtning på den kobberbelagte mikrostrukturoverflade er termodynamisk.den resulterende GaLM-film er stabil selv under deformation;(3) ændring af højden af ​​den kobberbelagte søjle kan danne en GaLM-film med kontrolleret tykkelse.Derudover reducerer denne tilgang mængden af ​​GaLM, der er nødvendig for at danne filmen, da søjlerne optager en del af filmen.For eksempel, når et array af søjler med en diameter på 200 μm (med en afstand mellem søjlerne på 25 μm) indføres, er den mængde GaLM, der kræves til filmdannelse (~9 μm3/μm2), sammenlignelig med filmvolumenet uden søjler.(25 µm3/µm2).Men i dette tilfælde skal det tages i betragtning, at den teoretiske modstand, estimeret efter Puets lov, også stiger ni gange.Samlet set tilbyder flydende metallers unikke befugtningsegenskaber, der diskuteres i denne artikel, en effektiv måde at afsætte flydende metaller på en række forskellige substrater til strækbar elektronik og andre nye anvendelser.
PDMS-substrater blev fremstillet ved at blande Sylgard 184-matrix (Dow Corning, USA) og hærder i forhold på 10:1 og 15:1 til træktest, efterfulgt af hærdning i en ovn ved 60°C.Kobber eller silicium blev aflejret på siliciumwafers (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Republikken Korea) og PDMS-substrater med et 10 nm tykt titanium-klæbende lag ved hjælp af et brugerdefineret sputtersystem.Søjleformede og pyramideformede strukturer afsættes på et PDMS-substrat ved hjælp af en fotolitografisk proces af siliciumwafer.Bredden og højden af ​​det pyramideformede mønster er henholdsvis 25 og 18 µm.Højden af ​​stangmønsteret blev fastsat til 25 µm, 10 µm og 1 µm, og dets diameter og stigning varierede fra 25 til 200 µm.
Kontaktvinklen for EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republikken Korea) blev målt ved hjælp af en dråbeformanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). Kontaktvinklen for EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republikken Korea) blev målt ved hjælp af en dråbeformanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland). Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помощолидна капомощоднака KRUSS, Tyskland). Kantvinklen for EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republikken Korea) blev målt ved hjælp af en dråbeanalysator (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徵分枼伌徵，S量. EGaIn (gallium75,5%/indium24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) blev målt ved hjælp af 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). Kantvinklen for EGaIn (gallium 75,5%/indium 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republikken Korea) blev målt ved hjælp af en formhætteanalysator (DSA100S, KRUSS, Tyskland).Placer substratet i et 5 cm × 5 cm × 5 cm glaskammer og anbring en 4-5 μl dråbe EGAIn på substratet ved hjælp af en 0,5 mm diameter sprøjte.For at skabe et HCl-dampmedium blev 20 μL HCl-opløsning (37 vægt-%, Samchun Chemicals, Republikken Korea) placeret ved siden af ​​substratet, som blev fordampet nok til at fylde kammeret inden for 10 s.
Overfladen blev afbildet ved hjælp af SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republikken Korea).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republikken Korea) blev brugt til at studere elementær kvalitativ analyse og distribution.EGaIn/Cu/PDMS overfladetopografien blev analyseret ved hjælp af et optisk profilometer (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
For at undersøge ændringen i elektrisk ledningsevne under strækcyklusser blev prøverne med og uden EGaIn fastspændt på strækudstyret (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republikken Korea) og blev elektrisk forbundet til en Keithley 2400 kildemåler. For at undersøge ændringen i elektrisk ledningsevne under strækcyklusser blev prøverne med og uden EGaIn fastspændt på strækudstyret (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republikken Korea) og blev elektrisk forbundet 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 at studere ændringen i elektrisk ledningsevne under strækcyklusser blev prøver med og uden EGaIn monteret på et strækudstyr (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republikken Korea) og elektrisk forbundet til en Keithley 2400 kildemåler.For at studere ændringen i elektrisk ledningsevne under strækcyklusser blev prøver med og uden EGaIn monteret på en strækanordning (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Republikken Korea) og elektrisk forbundet til et Keithley 2400 SourceMeter.Måler ændringen i modstand i området fra 0 % til 70 % af prøvestammen.Til stabilitetstesten blev ændringen i modstand målt over 4000 30% belastningscyklusser.
For mere information om undersøgelsesdesign, se Nature study abstract linket til denne artikel.
Data, der understøtter resultaterne af denne undersøgelse, præsenteres i filerne Supplerende information og rådata.Denne artikel indeholder de originale data.
Daeneke, T. et al.Flydende metaller: Kemisk basis og anvendelser.Kemisk.samfund.47, 4073-4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attributter, fremstilling og anvendelser af galliumbaserede flydende metalpartikler. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Attributter, fremstilling og anvendelser af galliumbaserede flydende metalpartikler.Lin, Y., Genzer, J. og Dickey, MD Egenskaber, fremstilling og anvendelse af galliumbaserede flydende metalpartikler. 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 Egenskaber, fremstilling og anvendelse af galliumbaserede flydende metalpartikler.Avanceret videnskab.7, 2000-192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Mod kredsløb med alt blødt stof: prototyper af kvasi-væske enheder med memristor-karakteristika. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Mod kredsløb med alt blødt stof: prototyper af quasi-væske enheder med memristorkarakteristika.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD og Velev, OD Til kredsløb, der udelukkende består af blødt stof: Prototyper af quasi-væske enheder med memristorkarakteristika. 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 & Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD og Velev, OD mod kredsløb alt blødt stof: prototyper af kvasi-væske enheder med memristor-egenskaber.Avanceret alma mater.23, 3559-3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Flydende metalkontakter til miljøvenlig elektronik. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Flydende metalkontakter til miljøvenlig elektronik.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Flydende metalafbrydere til miljøvenlig elektronik. 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 Flydende metalafbrydere til miljøvenlig elektronik.Avanceret alma mater.Interface 4, 1600913 (2017).
Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionstrømsretificering i blødstofdioder med flydende metalelektroder. Så, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionstrømsretificering i blødt stof-dioder med flydende metal-elektroder. Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Således JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionstrømsretificering i blødt materiale dioder med flydende metal elektroder. 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 & Velev, OD Так, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Således JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionstrømsretificering i blødt materiale dioder med flydende metal elektroder.Udvidede muligheder.Alma Mater.22, 625-631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrikation til helt bløde og højdensitet elektroniske enheder baseret på flydende metal. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrikation til helt bløde og højdensitet elektroniske enheder baseret på flydende metal.Kim, M.-G., Brown, DK og Brand, O. Nanofabrikation til helt bløde og højdensitet flydende metalbaserede elektroniske enheder.Kim, M.-G., Brown, DK, og Brand, O. Nanofabrikation af højdensitet, helt blød elektronik baseret på flydende metal.National kommune.11, 1-11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn er en strækbar elektronskal til interaktiv elektronik og CT-lokalisering.Alma Mater.Niveau.7. 1845-1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprintet elektronik: ultratynd strækbar Ag-In-Ga E-skin til bioelektronik og menneske-maskine interaktion. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprintet elektronik: ultratynd strækbar Ag-In-Ga E-skin til bioelektronik og menneske-maskine interaktion.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. Hydroprintet elektronik: ultratynd strækbar Ag-In-Ga E-skin til bioelektronik og menneske-maskine interaktion. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hydroprintet elektronik: ultratynd strækbar Ag-In-Ga E-skin til bioelektronik og menneske-maskine interaktion.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-trækstyrke og konstruerede triboelektriske nanogeneratorer baseret på flydende metaller til bærbar elektronik.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. et al.Udvikling af mikrokanalstrukturer til overstræksensorer baseret på flydende metaller ved stuetemperatur.videnskaben.Betænkning 9, 1-8 (2019).
Chen, G. et al.EGaIn superelastiske kompositfibre kan modstå 500 % trækbelastning og har fremragende elektrisk ledningsevne til bærbar elektronik.ACS refererer til alma mater.Interface 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direkte ledninger af eutektisk gallium-indium til en metalelektrode til bløde sensorsystemer. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direkte ledninger af eutektisk gallium-indium til en metalelektrode til bløde sensorsystemer.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. og Bae, J. Direkte binding af eutektisk gallium-indium til metalelektroder til bløde 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 metalelektrode direkte fastgjort til blødt sensorsystem.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. og Bae, J. Direkte binding af eutektisk gallium-indium til metalelektroder til bløde sensorsystemer.ACS refererer til alma mater.Interfaces 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.Flydende metalfyldte magnetoreologiske elastomerer med positiv piezoelektricitet.National kommune.10, 1-9 (2019).
Kim, KK Meget følsomme og strækbare multidimensionelle strain gauges med perkolationsgitter af forspændte anisotrope metal nanotråde.Nanolet.15, 5240-5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Universelt autonom selvhelbredende elastomer med høj strækbarhed. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Universelt autonom selvhelbredende elastomer med høj strækbarhed.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. og Zhang, L. Alsidig selvhelbredende elastomer med høj elasticitet. 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. Alsidige offline selvhelbredende højspændingselastomerer.National kommune.11, 1-9 (2020).
Zhu X. et al.Ultratrukne metalliske ledende fibre ved hjælp af flydende metallegeringskerner.Udvidede muligheder.Alma Mater.23, 2308-2314 (2013).
Khan, J. et al.Undersøgelse af elektrokemisk presning af flydende metaltråd.ACS refererer til alma mater.Interface 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. et al.Fordampningsinduceret sintring af flydende metaldråber med bionanofibre for fleksibel elektrisk ledningsevne og responsiv aktivering.National kommune.10, 1-9 (2019).
Dickey, MD et al.Eutektisk gallium-indium (EGaIn): flydende metallegering, der bruges til at danne stabile strukturer i mikrokanaler ved stuetemperatur.Udvidede muligheder.Alma Mater.18, 1097-1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Flydende metalbaseret blød robotik: materialer, design og applikationer. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Flydende metalbaseret blød robotik: materialer, design og applikationer.Wang, X., Guo, R. og Liu, J. Blød robotteknologi baseret på flydende metal: materialer, konstruktion og applikationer. 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. Flydende metalbaserede bløde robotter: materialer, design og applikationer.Wang, X., Guo, R. og Liu, J. Bløde robotter baseret på flydende metal: materialer, konstruktion og applikationer.Avanceret alma mater.technology 4, 1800549 (2019).