本發(fā)明涉及液態(tài)金屬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種使用液態(tài)金屬制備柔性電子線路的方法與裝置。

背景技術(shù)：

生活中，電子器件隨處可見，例如手機、電腦、手表、按摩椅、足療儀等，這些電子設(shè)備大多是剛性的，并不適用于表面是非平面的物體，導(dǎo)致電子設(shè)備在某些方面的應(yīng)用受到了嚴重的限制。隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生活水平的提高，人們對日常生活中的電子器件提出了新的要求，為此，柔性電子的概念被提出。

柔性電子是一種新興電子技術(shù)，其器件具有獨特的柔性/延展性，目前一般是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/可延性的襯底上(例如塑料、薄金屬基板等)而實現(xiàn)，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

隨著柔性電子科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，現(xiàn)在柔性電子器件主要包括柔性顯示、柔性存儲、柔性儲能、柔性傳感、柔性電路等，這些柔性電子器件主要由功能器件和柔性電子線路組成，在柔性電子線路的研究和應(yīng)用中，人們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性良好的金屬材料盡管可以通過構(gòu)造島狀、蛇形、馬蹄形等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一定的形變能力，但很難實現(xiàn)較大范圍的形變，所以人們逐漸將目光聚焦到導(dǎo)電能力良好，具有形變能力的液態(tài)金屬材料。

液態(tài)金屬通常是指熔點低于200℃的合金，其中室溫液態(tài)金屬的熔點較低，在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)。與傳統(tǒng)流體相比，液態(tài)金屬具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，且液相分布區(qū)間寬廣，因此日益受到人們的廣泛關(guān)注。

現(xiàn)有的基于液態(tài)金屬的柔性電子線路的制作方法主要有模塑法，打印法，超聲沉積法等，但是這些方法存在著諸如過程復(fù)雜、實驗設(shè)備要求高、制作效率低等問題。另外，由于液態(tài)金屬本身較大的表面張力，在液態(tài)金屬材料與柔性襯底材料結(jié)合的過程中，很難將液態(tài)金屬鋪展開。例如，前兩種方法利用宏觀的液態(tài)金屬材料，由于其較大的表面張力，在襯底材料表面具有較大的寬高比，使其制作出的電子線路的尺寸不能太??；第三種方法是將超聲后的液態(tài)金屬顆粒沉積成膜，通過壓或者劃的方式破壞掉表面氧化層，使液態(tài)金屬顆粒連接起來，形成導(dǎo)電線路，該方法中超聲產(chǎn)生的液態(tài)金屬顆粒大小存在極限，因此導(dǎo)電電路尺寸也存在極限，不能太小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明的技術(shù)目的是提供一種使用液態(tài)金屬制備柔性電子線路的新方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為：一種使用液態(tài)金屬制備柔性電子線路的方法，其特征是：采用熱蒸發(fā)技術(shù)，將液態(tài)金屬作為蒸發(fā)源，熱蒸發(fā)出液態(tài)金屬粒子沉積在柔性襯底表面，形成液態(tài)金屬薄膜；

或者，采用濺射技術(shù)，將塊體狀的液態(tài)金屬作為靶材，惰性氣體在電壓作用下電離后轟擊該靶材，將靶材的原子或原子團濺射到柔性襯底，形成液態(tài)金屬薄膜。

考慮到液態(tài)金屬的表面張力較大，作為優(yōu)選，在采用熱蒸發(fā)技術(shù)或者濺射技術(shù)在柔性襯底表面形成液態(tài)金屬薄膜之前，在柔性襯底表面施加靜電荷，該靜電荷有利于降低液態(tài)金屬的表面張力，使液態(tài)金屬在柔性襯底表面鋪展開，提高液態(tài)金屬薄膜在柔性襯底上的浸潤力，從而提高液態(tài)金屬薄膜的寬高比，制得小尺寸的柔性電子線路。所述的靜電荷包括帶正電的靜電荷和/或帶負電的靜電荷。

當(dāng)采用濺射技術(shù)時，塊體狀的液態(tài)金屬可通過在低于液態(tài)金屬熔點的溫度條件下將其進行冷凍而得到。

本發(fā)明通過上述的熱蒸發(fā)技術(shù)或者濺射技術(shù)，在柔性襯底表面將液態(tài)金屬在原子尺度堆積形成連通的導(dǎo)電液態(tài)金屬薄膜，從而得到一種新型的柔性電子線路，并且可控制得到小尺寸化。當(dāng)在空氣等環(huán)境中該液態(tài)金屬薄膜的表層形成氧化膜，可作為該柔性電子線路的保護膜。

本發(fā)明還提供了一種使用液態(tài)金屬制備柔性電子線路的裝置，該裝置包括真空腔體，位于真空腔體內(nèi)的靶池、基片與基片架；柔性襯底固定在基片表面，基片由固定架固定，位于靶池上方；

靶池內(nèi)設(shè)置用于放置靶材的靶托，用于冷凍靶材的冷凍單元，用于加熱靶材的加熱單元，用于產(chǎn)生磁場的磁場單元，用于靶材降溫的冷卻單元，用于監(jiān)控靶材溫度的溫控單元；

所述的靶材是液態(tài)金屬；

所述的靶材通過熱蒸發(fā)方式或者濺射方式沉積在柔性襯底表面；

所述的熱蒸發(fā)方式為：加熱單元加熱靶材，使其蒸發(fā)出靶材粒子沉積到柔性襯底表面形成液態(tài)金屬薄膜；

濺射方式為：冷凍單元冷凍靶材為塊體，真空腔體內(nèi)通入惰性氣體，在電場作用下惰性氣體電離后轟擊塊體靶材，將靶材的原子或原子團濺射到柔性襯底表面形成液態(tài)金屬薄膜。

作為一種實現(xiàn)方式，靶托為導(dǎo)熱材料，靶材放置于靶托內(nèi)部，冷凍單元環(huán)繞于靶托外部，磁場單元和冷卻單元位于靶托底部。作為優(yōu)選，所述的靶托為導(dǎo)電材料，這時，所述的加熱單元可以是與靶托相連的電源，電源開啟，靶托與電源形成回路而發(fā)熱，從而加熱位于靶托內(nèi)部的靶材。

作為一種實現(xiàn)方式，所述的磁場單元由若干個磁鐵組成。

作為一種實現(xiàn)方式，所述的冷凍單元中的冷卻介質(zhì)包括但不限于液氮、液氦等。

作為一種實現(xiàn)方式，冷卻的冷卻單元由冷卻管與冷卻流體組成，例如冷卻管與冷卻水等。

作為優(yōu)選，所述的靶托與基片之間還設(shè)置擋板，當(dāng)熱蒸發(fā)初期，所述擋板用于隔離靶材粒子沉積到柔性襯底表面，待能夠穩(wěn)定地蒸發(fā)出靶材粒子，則移去該擋板；當(dāng)濺射初期，所述擋板用于隔離靶材的原子或原子團濺射到柔性襯底表面，待能夠穩(wěn)定地轟擊出靶材的原子或原子團，則移去該擋板。

作為優(yōu)選，所述的使用液態(tài)金屬制備柔性電子線路的裝置還包括靜電荷施加單元，例如能夠產(chǎn)生靜電荷的靜電槍、靜電掃描探針等，用于在柔性襯底表面施加靜電荷。作為進一步優(yōu)選，所述的靜電荷施加裝置與位移單元相連接，能夠控制該靜電荷施加裝置的位移。

所述的柔性襯底材料不限，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、水凝膠、PET、PI、PVDF、SEBS等。

所述的液態(tài)金屬包括但不限于汞(Hg)、鎵(Ga)、銦(In)、-錫(Sn)、Ga-In合金、Ga-In-Sn合金，金屬或非金屬摻雜的Ga合金、Ga-In合金、Ga-In-Sn合金中的一種或者幾種。

與現(xiàn)有的使用液態(tài)金屬與柔性襯底制備的柔性電子線路相比，本發(fā)明的制備方法簡單易行，在柔性襯底表面形成連通導(dǎo)電的液態(tài)金屬薄膜而構(gòu)成柔性電子線路，有利于柔性電子線路的小尺寸化；并且，優(yōu)選在柔性襯底表面施加靜電荷，有利于降低液態(tài)金屬的表面張力，可進一步實現(xiàn)柔性電子線路的小尺寸化。本發(fā)明提供的制備裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)對靶材進行熱蒸發(fā)與濺射兩種方式，因此使用靈活。

本發(fā)明通過上述的熱蒸發(fā)技術(shù)或者濺射技術(shù)，在柔性襯底表面將液態(tài)金屬在原子尺度堆積形成連通的導(dǎo)電液態(tài)金屬薄膜，從而得到一種新型的柔性電子線路。當(dāng)在空氣等環(huán)境中該液態(tài)金屬薄膜的表層形成氧化膜，可作為該柔性電子線路的保護膜。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中的使用液態(tài)金屬制備柔性電子線路的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中靶池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中的靶材的分布示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要指出的是以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，不以任何方式限制本發(fā)明。

圖1-3中的附圖標記為：真空腔體1、基片架2、靶池3、抽真空單元4、電源5、通氣管道6、位移控制單元7、靜電施加單元8、基片9、復(fù)合靶材10、支撐架11、磁場單元12、支撐體13、冷卻單元14、電源15、溫控單元16、冷凍單元17、靶材18、靶托19、擋板20.。

實施例1：

本實施例中，柔性電子線路的制備裝置如圖1所示，包括真空腔體1，位于真空腔體內(nèi)的靶池3、基片9與基片架2。柔性襯底固定在基片9表面，基片9由基片架2固定，位于靶池3上方。

通氣管道6與真空腔體1相連通。抽真空單元4與真空腔體1相連通。

該柔性電子線路的制備裝置還包括靜電施加單元8，用于在柔性襯底表面施加靜電荷。位移控制單元7與靜電施加單元8相連，能夠控制靜電施加單元8進行位移。

本實施例中，靜電施加單元8包括靜電掃描探針以及電源，在電源開啟狀態(tài)下，靜電掃描探針能夠產(chǎn)生正靜電荷和/或負靜電荷。

如圖2所示，靶池3內(nèi)設(shè)置用于放置靶材18的靶托19，用于冷凍靶材的冷凍單元17，用于加熱靶材的加熱單元15，用于產(chǎn)生磁場的磁場產(chǎn)生單元12，用于靶材降溫的冷卻單元14，以及用于監(jiān)控靶材溫度的溫控單元16。

靶材18是液態(tài)金屬。本實施例中，靶材18是鎵、銦、錫液態(tài)合金。

本實施例中，柔性襯底材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本實施例中，靶托19為導(dǎo)熱材料，靶材18放置于靶托19的內(nèi)部，冷凍單元環(huán)繞于靶托19外部，磁場單元和冷卻單元位于靶托19的底部。

本實施例中，冷凍單元17的冷卻介質(zhì)為液氮。磁場單元12包括三個磁體，這三個磁體在支撐架13的支撐下位于靶托19的底部。

本實施例中，冷卻單元14由冷卻管與冷卻水組成。

本實施例中，加熱單元15是與靶托19相連的電源，電源開啟，靶托19與電源形成回路而發(fā)熱，從而加熱位于靶托內(nèi)部的靶材。

本實施例中，溫控單元16是與靶托19外壁相連接的溫度計，由于靶托為導(dǎo)熱材料，根據(jù)靶托溫度可得到位于靶托內(nèi)部的靶材的溫度。

本實施例中，靶托19與基片9之間還設(shè)置擋板20，擋板20由支架11支撐，當(dāng)熱蒸發(fā)初期，擋板用于隔離靶材粒子沉積到柔性襯底表面，待能夠穩(wěn)定地蒸發(fā)出靶材粒子，則移去該擋板；當(dāng)濺射初期，所述擋板用于隔離靶材的原子或原子團濺射到柔性襯底表面，待能夠穩(wěn)定地轟擊出靶材的原子或原子團，則移去該擋板。

本實施例中，靶托內(nèi)的靶材為復(fù)合靶材，即如圖3所示，靶材為四個，彼此有間隔地均勻分布在靶托內(nèi)。

本實施例中，可以采用熱蒸發(fā)技術(shù)或者濺射技術(shù)制備柔性電子線路，具體方法如下：

(一)采用熱蒸發(fā)技術(shù)，將液態(tài)金屬作為蒸發(fā)源，熱蒸發(fā)出液態(tài)金屬粒子沉積在柔性襯底表面，形成液態(tài)金屬薄膜，具體步驟如下：

(1)如圖3所示，將鎵、銦、錫液態(tài)金屬置于靶托內(nèi)，形成4個靶材料；在基片9上固定好PDMS柔性襯底，將基片9固定于基片架2上，并且固定有PDMS柔性襯底的基片一面朝向靶池3；在基片9與靶托19之間設(shè)置材擋板20；

(2)用抽真空系統(tǒng)4對真空腔體1抽真空使其真空度達到6×10^-5pa，利用位移控制桿單元7調(diào)控靜電掃描探針在PDMS柔性襯底表面施加靜電荷；

(3)將靶材作為蒸發(fā)源，打開加熱單元15，調(diào)節(jié)電壓為1.5V，電流為162A，預(yù)蒸發(fā)30s后，打開靶材擋板20，熱蒸發(fā)出的液態(tài)金屬粒子沉積在PDMS柔性襯底表面，蒸鍍30mins，在PDMS柔性襯底表面形成液態(tài)金屬薄膜，關(guān)閉靶材擋板20，調(diào)節(jié)電壓和電流為零。

(4)關(guān)閉抽真空系統(tǒng)4，利用通氣管道6對真空腔體1充氧氣進行液態(tài)金屬膜氧化，并通過充氮氣破壞腔體內(nèi)的真空，然后打開真空腔體1，取出基片9，取下固定于基片上的PDMS柔性襯底。

(二)采用濺射技術(shù)，將塊體狀的液態(tài)金屬作為靶材，惰性氣體在電壓作用下電離后轟擊該靶材，將靶材的原子或原子團濺射到柔性襯底，形成液態(tài)金屬薄膜，具體如下：

(1)如圖3所示，將鎵、銦、錫液態(tài)金屬置于靶托內(nèi)，形成4個靶材料；在基片9上固定好PDMS柔性襯底，將基片9固定于基片架2上，并且固定有PDMS柔性襯底的基片一面朝向靶池3；在基片9與靶托19之間設(shè)置材擋板20；

(2)用抽真空系統(tǒng)4對真空腔體1抽真空使其真空度達到6×10^-5pa，利用位移控制桿單元7調(diào)控靜電掃描探針在PDMS柔性襯底表面施加靜電荷；

(3)打開冷凍單元17冷凍靶材，溫控單元16顯示溫度為-20℃時液態(tài)金屬鎵、銦、錫冷凍成固態(tài)塊體靶材；打開冷卻系統(tǒng)14，惰性氣體經(jīng)通氣管道6進入真空腔體，在電壓作用下電離后轟擊該靶材，在磁場單元12產(chǎn)生的磁場控制條件下，預(yù)轟擊濺射3s后打開靶材擋板20，靶材的原子或原子團濺射到柔性襯底，形成液態(tài)金屬薄膜。

(4)關(guān)閉抽真空系統(tǒng)4，利用通氣管道6對真空腔體1充氧氣進行液態(tài)金屬膜氧化，并通過充氮氣破壞腔體內(nèi)的真空，然后打開真空腔體1，取出基片9，取下固定于基片上的PDMS柔性襯底。

以上所述的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行了詳細說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。