Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Prikaže vrtiljak treh diapozitivov hkrati.Uporabite gumba Prejšnji in Naslednji, da se premikate po treh diapozitivih hkrati, ali pa uporabite gumbe drsnika na koncu, da se premikate skozi tri diapozitive hkrati.
Tukaj prikazujemo spontane in selektivne vlažilne lastnosti tekočih kovinskih zlitin na osnovi galija na metaliziranih površinah s topografskimi značilnostmi v mikroskopskem merilu.Zlitine tekočih kovin na osnovi galija so neverjetni materiali z ogromno površinsko napetostjo.Zato jih je težko oblikovati v tanke plasti.Popolno omočenje evtektične zlitine galija in indija je bilo doseženo na mikrostrukturirani površini bakra v prisotnosti hlapov HCl, ki so odstranili naravni oksid iz tekoče kovinske zlitine.To omočenje je numerično razloženo na podlagi Wenzelovega modela in procesa osmoze, ki kaže, da je velikost mikrostrukture kritična za učinkovito z osmozo povzročeno omočenje tekočih kovin.Poleg tega dokazujemo, da je spontano vlaženje tekočih kovin mogoče selektivno usmeriti vzdolž mikrostrukturiranih regij na kovinski površini, da ustvarimo vzorce.Ta preprost postopek enakomerno prevleče in oblikuje tekočo kovino na velikih površinah brez zunanje sile ali zapletenega ravnanja.Dokazali smo, da substrati s tekočimi kovinskimi vzorci ohranijo električne povezave tudi, ko so raztegnjeni in po ponavljajočih se ciklih raztezanja.
Zlitine tekočih kovin na osnovi galija (GaLM) so pritegnile veliko pozornosti zaradi svojih privlačnih lastnosti, kot so nizko tališče, visoka električna prevodnost, nizka viskoznost in pretok, nizka toksičnost in visoka deformabilnost1,2.Čisti galij ima tališče okoli 30 °C, pri taljenju v evtektičnih spojinah z nekaterimi kovinami, kot sta In in Sn, pa je tališče pod sobno temperaturo.Dve pomembni GaLM sta evtektična zlitina galij-indija (EGaIn, 75 % Ga in 25 % In glede na maso, tališče: 15,5 °C) in evtektična zlitina galij-indija-kositra (GaInSn ali galinstan, 68,5 % Ga, 21,5 % In in 10 % kositra, tališče: ~11 °C) 1.2.Zaradi njihove električne prevodnosti v tekoči fazi se GaLM aktivno preiskujejo kot natezne ali deformabilne elektronske poti za različne aplikacije, vključno z elektronskimi3,4,5,6,7,8,9 napetimi ali ukrivljenimi senzorji 10, 11, 12 , 13, 14 in vodi 15, 16, 17. Izdelava takšnih naprav z nanašanjem, tiskanjem in vzorčenjem iz GaLM zahteva poznavanje in nadzor površinskih lastnosti GaLM in njegovega osnovnega substrata.GaLM imajo visoko površinsko napetost (624 mNm-1 za EGaIn18,19 in 534 mNm-1 za Galinstan20,21), zaradi česar je z njimi težko rokovati ali manipulirati.Tvorba trde skorje naravnega galijevega oksida na površini GaLM v okoljskih pogojih zagotavlja lupino, ki stabilizira GaLM v nesferični obliki.Ta lastnost omogoča tiskanje GaLM, vsaditev v mikrokanale in vzorčenje s stabilnostjo na površini, ki jo dosežejo oksidi 19, 22, 23, 24, 25, 26, 27.Trda oksidna lupina tudi omogoča, da se GaLM oprime večine gladkih površin, vendar preprečuje, da bi kovine z nizko viskoznostjo prosto tekle.Širjenje GaLM na večini površin zahteva silo za zlom oksidne lupine 28, 29.
Oksidne lupine lahko odstranite na primer z močnimi kislinami ali bazami.V odsotnosti oksidov GaLM tvori kapljice na skoraj vseh površinah zaradi njihove velike površinske napetosti, vendar obstajajo izjeme: GaLM zmoči kovinske podlage.Ga tvori kovinske vezi z drugimi kovinami s postopkom, znanim kot "reaktivno vlaženje"30,31,32.To reaktivno vlaženje se pogosto preverja v odsotnosti površinskih oksidov, da se omogoči stik med kovino in kovino.Vendar pa so tudi pri naravnih oksidih v GaLM poročali, da nastanejo stiki med kovinami, ko se oksidi zlomijo pri stiku z gladkimi kovinskimi površinami29.Rezultat reaktivnega vlaženja so nizki kontaktni koti in dobro vlaženje večine kovinskih podlag33,34,35.
Do danes je bilo izvedenih veliko študij o uporabi ugodnih lastnosti reaktivnega vlaženja GaLM s kovinami za oblikovanje vzorca GaLM.Na primer, GaLM je bil uporabljen za vzorčaste trdne kovinske sledi z mazanjem, valjanjem, pršenjem ali maskiranjem senc34, 35, 36, 37, 38. Selektivno vlaženje GaLM na trdih kovinah omogoča, da GaLM tvori stabilne in dobro definirane vzorce.Vendar pa visoka površinska napetost GaLM ovira nastanek zelo enakomernih tankih filmov tudi na kovinskih substratih.Da bi rešili to težavo, Lacour et al.je poročal o metodi za izdelavo gladkih, ravnih tankih filmov GaLM na velikih površinah z izhlapevanjem čistega galija na z zlatom prevlečene mikrostrukturirane podlage 37,39.Ta metoda zahteva vakuumsko nanašanje, ki je zelo počasno.Poleg tega GaLM na splošno ni dovoljen za takšne naprave zaradi možne krhkosti40.Izhlapevanje prav tako odloži material na podlago, zato je za ustvarjanje vzorca potreben vzorec.Iščemo način za ustvarjanje gladkih filmov in vzorcev GaLM z oblikovanjem topografskih kovinskih značilnosti, ki jih GaLM zmoči spontano in selektivno v odsotnosti naravnih oksidov.Tukaj poročamo o spontanem selektivnem omočenju EGaIn brez oksida (tipični GaLM) z uporabo edinstvenega omočenja na fotolitografsko strukturiranih kovinskih substratih.Ustvarjamo fotolitografsko definirane površinske strukture na mikro ravni za preučevanje vpijanja in s tem nadzorujemo omočenje tekočih kovin brez oksidov.Izboljšane vlažilne lastnosti EGaIn na mikrostrukturiranih kovinskih površinah so razložene z numerično analizo na podlagi Wenzelovega modela in postopka impregnacije.Končno prikazujemo nanašanje velike površine in oblikovanje vzorca EGaIn s samoabsorpcijo, spontanim in selektivnim vlaženjem na mikrostrukturiranih površinah za nanašanje kovin.Kot možne aplikacije so predstavljene natezne elektrode in merilniki napetosti, ki vključujejo strukture EGaIn.
Absorpcija je kapilarni transport, pri katerem tekočina vdre v teksturirano površino 41, kar olajša širjenje tekočine.Raziskali smo vlažilno obnašanje EGaIn na kovinskih mikrostrukturiranih površinah, nanesenih v HCl pari (slika 1).Kot kovina za podlago je bil izbran baker. Na ravnih bakrenih površinah je EGaIn pokazal nizek kontaktni kot <20° v prisotnosti hlapov HCl zaradi reaktivnega vlaženja31 (dodatna slika 1). Na ravnih bakrenih površinah je EGaIn pokazal nizek kontaktni kot <20° v prisotnosti hlapov HCl zaradi reaktivnega vlaženja31 (dodatna slika 1). Na ravnih mednih površinah EGaIn je pokazal nizek kotiček barve <20 ° v prisotnosti parov HCl iz reaktivnega namakanja31 (dopolnilni vzorec 1). Na ravnih bakrenih površinah je EGaIn pokazal nizek kontaktni kot <20° v prisotnosti hlapov HCl zaradi reaktivnega vlaženja31 (dodatna slika 1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下显示出<20° 的低接触角31（补充图1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn在存在HCl Na ravnih mednih površinah EGaIn kaže nizke rdeče barve <20 ° v prisotnosti parov HCl iz reaktivnega namakanja (dopolnilni vzorec 1). Na ravnih bakrenih površinah ima EGaIn nizke <20° kontaktne kote v prisotnosti hlapov HCl zaradi reaktivnega vlaženja (dodatna slika 1).Izmerili smo tesne kontaktne kote EGaIn na bakru v razsutem stanju in na bakrenih filmih, nanesenih na polidimetilsiloksan (PDMS).
a Stebričaste (D (premer) = l (razdalja) = 25 µm, d (razdalja med stebri) = 50 µm, H (višina) = 25 µm) in piramidalne (širina = 25 µm, višina = 18 µm) mikrostrukture na Cu /PDMS substrati.b Časovno odvisne spremembe kontaktnega kota na ravnih substratih (brez mikrostruktur) in nizih stebrov in piramid, ki vsebujejo PDMS, prevlečen z bakrom.c, d Intervalni posnetek (c) stranskega pogleda in (d) pogleda od zgoraj močenja EGaIn na površini s stebri v prisotnosti hlapov HCl.
Za oceno vpliva topografije na vlaženje so bili pripravljeni PDMS substrati s stebrastim in piramidalnim vzorcem, na katere je bil nanesen baker s titanovim lepilnim slojem (slika 1a).Dokazano je bilo, da je bila mikrostrukturirana površina substrata PDMS konformno prevlečena z bakrom (dopolnilna slika 2).Na sl.1b.Kontaktni kot EGaIn na vzorčastem bakru/PDMS pade na 0° v približno 1 minuti.Izboljšano omočenje mikrostruktur EGaIn je mogoče izkoristiti z Wenzelovo enačbo\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), kjer \({\theta}_{{rough}}\) predstavlja kontaktni kot hrapave površine, \ (r \) Hrapavost površine (= dejanska površina/navidezna površina) in kontaktni kot na ravnini \({\theta}_{0}\).Rezultati okrepljenega vlaženja EGaIn na vzorčastih površinah se dobro ujemajo z Wenzelovim modelom, saj sta vrednosti r za hrbtno in piramidalno vzorčaste površine 1,78 oziroma 1,73.To tudi pomeni, da bo kapljica EGaIn, ki se nahaja na vzorčasti površini, prodrla v utore spodnjega reliefa.Pomembno je omeniti, da se v tem primeru oblikujejo zelo enakomerni ravni filmi, v nasprotju s primerom z EGaIn na nestrukturiranih površinah (dopolnilna slika 1).
Iz sl.1c,d (dodatni film 1) je razvidno, da po 30 s, ko se navidezni kontaktni kot približa 0°, začne EGaIn difundirati dlje od roba kapljice, kar je posledica absorpcije (dodatni film 2 in dopolnilni Slika 3).Prejšnje študije ravnih površin so povezale časovno lestvico reaktivnega vlaženja s prehodom iz inercialnega v viskozno vlaženje.Velikost terena je eden od ključnih dejavnikov pri ugotavljanju, ali pride do samosesanja.S primerjavo površinske energije pred in po vpijanju s termodinamičnega vidika je bil izpeljan kritični kontaktni kot \({\theta}_{c}\) vpijanja (za podrobnosti glejte dodatno razpravo).Rezultat \({\theta}_{c}\) je definiran kot \({{{({\rm{cos))))))\, {\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\), kjer \({\phi}_{s}\) predstavlja delno območje na vrhu objave in \(r\ ) predstavlja hrapavost površine. Imbibicija se lahko pojavi, ko \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni kot na ravni površini. Imbibicija se lahko pojavi, ko \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni kot na ravni površini. Vpitje se lahko zgodi, ko \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), t.e.kontaktni kot na ravni površini. Do absorpcije lahko pride, ko \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni kot na ravni površini.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。 Vsasyvanje poteka, ko \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), kontaktni kot na ravnini. Do sesanja pride, ko \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), kontaktni kot na ravnini.Za naknadno oblikovane površine se \(r\) in \({\phi}_{s}\) izračunata kot \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) in \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), kjer \(R\) predstavlja polmer stolpca, \(H\) predstavlja višino stolpca in \ ( d\) je razdalja med središči dveh stebrov (slika 1a).Za naknadno strukturirano površino na sl.1a je kot \({\theta}_{c}\) 60°, kar je večje od ravnine \({\theta}_{0}\) (~25°) v EGaIn brez oksida HCl na Cu/PDMS.Zato lahko kapljice EGaIn zlahka vdrejo v strukturirano površino nanašanja bakra na sliki 1a zaradi absorpcije.
Da bi raziskali učinek topografske velikosti vzorca na vlaženje in absorpcijo EGaIn, smo spreminjali velikost stebrov, prevlečenih z bakrom.Na sl.2 prikazuje kontaktne kote in absorpcijo EGaIn na teh substratih.Razdalja l med kolonama je enaka premeru kolone D in se giblje od 25 do 200 μm.Višina 25 µm je konstantna za vse kolone.\({\theta}_{c}\) se zmanjšuje z večanjem velikosti stolpca (tabela 1), kar pomeni, da je absorpcija manj verjetna na substratih z večjimi stolpci.Za vse testirane velikosti je \({\theta}_{c}\) večji od \({\theta}_{0}\) in pričakovano je steljanje.Vendar pa absorpcijo redko opazimo pri površinah z naknadnim vzorcem z l in D 200 µm (slika 2e).
Od časa odvisen kontaktni kot EGaIn na površini Cu/PDMS s stolpci različnih velikosti po izpostavitvi hlapom HCl.b–e Pogled od zgoraj in od strani močenja EGaIn.b D = l = 25 µm, r = 1,78.v D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Vsi drogovi imajo višino 25 µm.Te slike so bile posnete vsaj 15 minut po izpostavitvi hlapom HCl.Kapljice na EGaIn so voda, ki nastane zaradi reakcije med galijevim oksidom in hlapi HCl.Vse lestvice v (b – e) so 2 mm.
Drugo merilo za določanje verjetnosti absorpcije tekočine je fiksacija tekočine na površini po nanosu vzorca.Kurbin idr.Poročali so, da ko (1) so drogovi dovolj visoki, vzorčasta površina absorbira kapljice;(2) razdalja med stebri je precej majhna;in (3) je kontaktni kot tekočine na površini dovolj majhen42.Numerično mora biti \({\theta}_{0}\) tekočine na ravnini, ki vsebuje enak substratni material, manjši od kritičnega kontaktnega kota za pripenjanje, \({\theta}_{c,{pin))} \ ), za absorpcijo brez pripenjanja med drogovi, kjer \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (za podrobnosti glejte dodatno razpravo).Vrednost \({\theta}_{c,{pin}}\) je odvisna od velikosti žebljička (tabela 1).Določite brezdimenzijski parameter L = l/H, da presodite, ali pride do absorpcije.Za absorpcijo mora biti L manjši od standarda praga, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Za EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) na bakrenem substratu \({L}_{c}\) je 5,2.Ker je stolpec L 200 μm 8, kar je večje od vrednosti \({L}_{c}\), do absorpcije EGaIn ne pride.Za nadaljnje testiranje učinka geometrije smo opazili samosesanje različnih H in l (dodatna slika 5 in dodatna tabela 1).Rezultati se dobro ujemajo z našimi izračuni.Tako se izkaže, da je L učinkovit napovedovalec absorpcije;tekoča kovina preneha vpijati zaradi zatipa, ko je razdalja med stebri relativno velika v primerjavi z višino stebrov.
Močljivost lahko določimo glede na površinsko sestavo substrata.Raziskali smo učinek površinske sestave na omočenje in absorpcijo EGaIn s soodlaganjem Si in Cu na stebre in ravnine (dopolnilna slika 6).Kontaktni kot EGaIn se zmanjša s ~160° na ~80°, ko se binarna površina Si/Cu poveča z 0 na 75% pri ravni vsebnosti bakra.Za površino 75 % Cu/25 % Si je \({\theta}_{0}\) ~80°, kar ustreza \({L}_{c}\) enako 0,43 v skladu z zgornjo definicijo .Ker so stolpci l = H = 25 μm z L enakim 1 večjim od praga \({L}_{c}\), površina 75% Cu/25% Si po vzorčenju ne absorbira zaradi imobilizacije.Ker se kontaktni kot EGaIn poveča z dodatkom Si, je potreben višji H ali nižji l za premagovanje zapenjanja in impregnacije.Ker je kontaktni kot (tj. \({\theta}_{0}\)) odvisen od kemijske sestave površine, lahko tudi določi, ali pride do vpijanja v mikrostrukturo.
Absorpcija EGaIn na vzorčastem bakru/PDMS lahko zmoči tekočo kovino v uporabne vzorce.Da bi ovrednotili najmanjše število črt stolpcev, ki povzročajo imbibicijo, smo opazili vlažilne lastnosti EGaIn na Cu/PDMS s črtami po vzorcu, ki vsebujejo različne številke vrstic stolpcev od 1 do 101 (slika 3).Vlaženje se pojavi predvsem v regiji po vzorčenju.Odvajanje EGaIn je bilo zanesljivo opazovano in dolžina odvajanja se je povečevala s številom vrstic stolpcev.Absorpcija se skoraj nikoli ne zgodi, če so objave z dvema ali manj črtami.To je lahko posledica povečanega kapilarnega tlaka.Da pride do absorpcije v stolpčnem vzorcu, je treba premagati kapilarni tlak, ki ga povzroča ukrivljenost glave EGaIn (dopolnilna slika 7).Ob predpostavki polmera ukrivljenosti 12,5 µm za enovrstično glavo EGaIn s stebričastim vzorcem je kapilarni tlak ~0,98 atm (~740 Torr).Ta visok Laplaceov tlak lahko prepreči močenje, ki ga povzroča absorpcija EGaIn.Prav tako lahko manj vrstic stolpcev zmanjša absorpcijsko silo, ki je posledica kapilarnega delovanja med EGaIn in stebri.
a Kapljice EGaIn na strukturiranem Cu/PDMS z vzorci različnih širin (w) na zraku (pred izpostavitvijo hlapom HCl).Vrstice stojal, ki se začnejo od zgoraj: 101 (š = 5025 µm), 51 (š = 2525 µm), 21 (š = 1025 µm) in 11 (š = 525 µm).b Usmerjeno vlaženje EGaIn na (a) po izpostavitvi hlapom HCl za 10 minut.c, d Vlaženje EGaIn na Cu/PDMS s stolpčastimi strukturami (c) dve vrsti (w = 75 µm) in (d) ena vrsta (w = 25 µm).Te slike so bile posnete 10 minut po izpostavitvi hlapom HCl.Lestvice na (a, b) in (c, d) so 5 mm oziroma 200 µm.Puščice v (c) označujejo ukrivljenost glave EGaIn zaradi absorpcije.
Absorpcija EGaIn v naknadno vzorčenem Cu/PDMS omogoča tvorbo EGaIn s selektivnim vlaženjem (slika 4).Ko kapljico EGaIn položimo na območje z vzorcem in jo izpostavimo hlapom HCl, se kapljica EGaIn najprej zruši in tvori majhen kontaktni kot, ko kislina odstrani vodni kamen.Nato se absorpcija začne od roba kapljice.Vzorčenje velikih površin je mogoče doseči s centimetrsko lestvico EGaIn (sl. 4a, c).Ker pride do absorpcije le na topografski površini, EGaIn zmoči le območje vzorca in skoraj preneha zmočiti, ko doseže ravno površino.Posledično opazimo ostre meje vzorcev EGaIn (sl. 4d, e).Na sl.Slika 4b prikazuje, kako EGaIn vdre v nestrukturirano regijo, zlasti okoli mesta, kjer je bila prvotno nameščena kapljica EGaIn.To je bilo zato, ker je najmanjši premer kapljic EGaIn, uporabljenih v tej študiji, presegel širino vzorčastih črk.Kapljice EGaIn so bile nameščene na mesto vzorca z ročnim injiciranjem skozi iglo in brizgo 27-G, kar je povzročilo kapljice z najmanjšo velikostjo 1 mm.Ta problem je mogoče rešiti z uporabo manjših kapljic EGaIn.Na splošno slika 4 prikazuje, da je mogoče spontano vlaženje EGaIn inducirati in usmeriti na mikrostrukturirane površine.V primerjavi s prejšnjim delom je ta postopek vlaženja razmeroma hiter in za popolno vlaženje ni potrebna zunanja sila (dodatna tabela 2).
emblem univerze, črka b, c v obliki strele.Absorbcijsko območje je prekrito z nizom kolon z D = l = 25 µm.d, povečane slike reber v e (c).Lestvice na (a–c) in (d, e) so 5 mm oziroma 500 µm.Na (c–e) se majhne kapljice na površini po adsorpciji spremenijo v vodo kot rezultat reakcije med galijevim oksidom in hlapi HCl.Niso opazili pomembnega vpliva tvorbe vode na močenje.Voda se zlahka odstrani s preprostim postopkom sušenja.
Zaradi tekoče narave EGaIn se lahko uporablja Cu/PDMS, prevlečen z EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS), za fleksibilne in raztegljive elektrode.Slika 5a primerja spremembe odpornosti izvirnega Cu/PDMS in EGaIn/Cu/PDMS pod različnimi obremenitvami.Odpornost Cu/PDMS močno naraste pri napetosti, medtem ko odpornost EGaIn/Cu/PDMS ostane nizka pri napetosti.Na sl.5b in d prikazujeta slike SEM in ustrezne podatke EMF neobdelanega Cu/PDMS in EGaIn/Cu/PDMS pred in po uporabi napetosti.Pri nepoškodovanem Cu/PDMS lahko deformacija povzroči razpoke v trdem Cu filmu, odloženem na PDMS, zaradi neusklajenosti elastičnosti.Nasprotno pa EGaIn za EGaIn/Cu/PDMS še vedno dobro prekriva substrat Cu/PDMS in ohranja električno kontinuiteto brez razpok ali znatnih deformacij tudi po uporabi obremenitve.Podatki EDS so potrdili, da sta galij in indij iz EGaIn enakomerno porazdeljena na substrat Cu/PDMS.Omeniti velja, da je debelina filma EGaIn enaka in primerljiva z višino stebrov. To potrjuje tudi nadaljnja topografska analiza, kjer je relativna razlika med debelino filma EGaIn in višino stebra <10% (dodatna slika 8 in tabela 3). To potrjuje tudi nadaljnja topografska analiza, kjer je relativna razlika med debelino filma EGaIn in višino stebra <10% (dodatna slika 8 in tabela 3). To potrjuje tudi nadaljnja topografska analiza, kjer je razmerje med debelino plošče EGaIn in višino stola <10 % (dopolnilna slika 8 in tabela 3). To potrjuje tudi nadaljnja topografska analiza, kjer je relativna razlika med debelino filma EGaIn in višino stolpca <10% (dodatna slika 8 in tabela 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的相对差异<10 %（补充图8 in 3). <10 % To je bilo potrjeno tudi z nadaljnjo topografsko analizo, kjer je razmerje med debelino folije EGaIn in višino stola <10 % (dopolnilna slika 8 in tabela 3). To je bilo potrjeno tudi z nadaljnjo topografsko analizo, kjer je bila relativna razlika med debelino filma EGaIn in višino stolpca <10% (dodatna slika 8 in tabela 3).To vlaženje na osnovi vpijanja omogoča, da je debelina premazov EGaIn dobro nadzorovana in stabilna na velikih površinah, kar je sicer zahtevno zaradi svoje tekoče narave.Sliki 5c in e primerjata prevodnost in odpornost proti deformaciji originalnega Cu/PDMS in EGaIn/Cu/PDMS.V predstavitvi se je LED vklopila, ko je bila priključena na nedotaknjene elektrode Cu/PDMS ali EGaIn/Cu/PDMS.Ko se nepoškodovani Cu/PDMS raztegne, LED dioda ugasne.Vendar so elektrode EGaIn/Cu/PDMS ostale električno povezane tudi pod obremenitvijo, LED lučka pa je zaradi povečanega upora elektrod le rahlo zatemnjena.
a Normalizirana odpornost se spreminja z naraščajočo obremenitvijo na Cu/PDMS in EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM slike in analiza energijsko disperzivne rentgenske spektroskopije (EDS) pred (zgoraj) in po (spodaj) polidipleksih, naloženih v (b) Cu/PDMS in (d) EGaIn/Cu/metilsiloksan.c, e LED diode, pritrjene na (c) Cu/PDMS in (e) EGaIn/Cu/PDMS pred (zgoraj) in po (spodaj) raztezanju (~30% napetosti).Merilna lestvica v (b) in (d) je 50 µm.
Na sl.6a prikazuje odpornost EGaIn/Cu/PDMS kot funkcijo deformacije od 0 % do 70 %.Povečanje in obnavljanje upora je sorazmerno z deformacijo, kar se dobro ujema s Pouilletovim zakonom za nestisljive materiale (R/R0 = (1 + ε)2), kjer je R upor, R0 začetni upor, ε deformacija 43. Druge študije so pokazale, da se lahko trdni delci v tekočem mediju, ko so raztegnjeni, prerazporedijo in postanejo bolj enakomerno porazdeljeni z boljšo kohezijo, s čimer se zmanjša povečanje upora 43, 44. V tem delu pa je prevodnik > 99 % tekoče kovine po prostornini, saj so Cu filmi debeli le 100 nm. V tem delu pa je prevodnik > 99 % tekoče kovine po prostornini, saj so Cu filmi debeli le 100 nm. Vendar je v tem delu prevodnik sestavljen iz >99 % tekoče kovine glede na prostornino, tako kot imajo Cu plošče debelino vsega 100 nm. Vendar pa je v tem delu prevodnik sestavljen iz > 99 % tekoče kovine po prostornini, saj so Cu filmi debeli samo 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 % 的液态金属（按体积计）。然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99 %Ker pa je v tem delu Cu film debel le 100 nm, prevodnik sestoji iz več kot 99 % tekoče kovine (po prostornini).Zato ne pričakujemo, da bo Cu pomembno prispeval k elektromehanskim lastnostim prevodnikov.
a Normalizirana sprememba odpornosti EGaIn/Cu/PDMS v primerjavi z deformacijo v območju 0–70 %.Največja napetost, dosežena pred odpovedjo PDMS, je bila 70% (dodatna slika 9).Rdeče pike so teoretične vrednosti, ki jih predvideva Puetov zakon.b Preskus stabilnosti prevodnosti EGaIn/Cu/PDMS med ponavljajočimi se cikli raztezanja in raztezanja.V cikličnem testu je bil uporabljen 30-odstotni sev.Merilo na vstavku je 0,5 cm.L je začetna dolžina EGaIn/Cu/PDMS pred raztezanjem.
Merilni faktor (GF) izraža občutljivost senzorja in je definiran kot razmerje med spremembo odpornosti in spremembo deformacije45.GF se je povečal z 1,7 pri 10% deformaciji na 2,6 pri 70% deformaciji zaradi geometrijske spremembe kovine.V primerjavi z drugimi merilniki napetosti je vrednost GF EGaIn/Cu/PDMS zmerna.Kot senzor, čeprav njegov GF morda ni posebej visok, EGaIn/Cu/PDMS kaže robustno spremembo upora kot odziv na obremenitev z nizkim razmerjem med signalom in šumom.Za ovrednotenje stabilnosti prevodnosti EGaIn/Cu/PDMS je bil električni upor spremljan med ponavljajočimi se cikli raztezanja in raztezanja pri 30 % deformaciji.Kot je prikazano na sl.Kot je prikazano na sliki 6b, je po 4000 ciklih raztezanja vrednost upora ostala znotraj 10%, kar je lahko posledica neprekinjenega nastajanja lestvice med ponavljajočimi se cikli raztezanja46.Tako sta bili potrjeni dolgotrajna električna stabilnost EGaIn/Cu/PDMS kot raztegljive elektrode in zanesljivost signala kot merilnika napetosti.
V tem članku razpravljamo o izboljšanih vlažilnih lastnostih GaLM na mikrostrukturiranih kovinskih površinah, ki jih povzroči infiltracija.Spontano popolno omočenje EGaIn je bilo doseženo na stebrastih in piramidalnih kovinskih površinah v prisotnosti hlapov HCl.To je mogoče razložiti numerično na podlagi Wenzelovega modela in procesa odvajanja, ki prikazuje velikost post-mikrostrukture, potrebne za vlaženje, ki ga povzroča odvajanje.Spontano in selektivno vlaženje EGaIn, ki ga vodi mikrostrukturirana kovinska površina, omogoča nanos enakomernih premazov na velike površine in oblikovanje tekočih kovinskih vzorcev.Substrati Cu/PDMS, prevlečeni z EGaIn, ohranijo električne povezave tudi, ko so raztegnjeni in po ponavljajočih se ciklih raztezanja, kar potrjujejo SEM, EDS in meritve električnega upora.Poleg tega se električni upor Cu/PDMS, prevlečenega z EGaIn, reverzibilno in zanesljivo spreminja sorazmerno z uporabljeno deformacijo, kar kaže na njegovo potencialno uporabo kot senzor deformacije.Možne prednosti, ki jih nudi princip vlaženja s tekočo kovino, ki ga povzroča vpijanje, so naslednje: (1) prevleko in vzorčenje GaLM je mogoče doseči brez zunanje sile;(2) Močenje GaLM na površini mikrostrukture, prevlečene z bakrom, je termodinamično.nastali film GaLM je stabilen tudi pri deformaciji;(3) spreminjanje višine pobakrene kolone lahko tvori film GaLM z nadzorovano debelino.Poleg tega ta pristop zmanjša količino GaLM, potrebno za oblikovanje filma, saj stebri zasedajo del filma.Na primer, ko je uveden niz stebrov s premerom 200 μm (z razdaljo med stebri 25 μm), je prostornina GaLM, ki je potrebna za tvorbo filma (~9 μm3/μm2), primerljiva z prostornino filma brez stebri.(25 µm3/µm2).Vendar pa je v tem primeru treba upoštevati, da se tudi teoretični upor, ocenjen po Puetovem zakonu, poveča za devetkrat.Na splošno edinstvene močilne lastnosti tekočih kovin, obravnavane v tem članku, ponujajo učinkovit način za nanašanje tekočih kovin na različne podlage za raztegljivo elektroniko in druge nastajajoče aplikacije.
PDMS substrate smo pripravili z mešanjem matrice Sylgard 184 (Dow Corning, ZDA) in trdilca v razmerjih 10:1 in 15:1 za natezne teste, čemur je sledilo utrjevanje v pečici pri 60 °C.Baker ali silicij sta bila nanesena na silicijeve rezine (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Republika Koreja) in substrate PDMS z 10 nm debelim lepilnim slojem iz titana z uporabo sistema za naprševanje po meri.Stebričaste in piramidalne strukture so nanesene na substrat PDMS s fotolitografskim postopkom silicijeve rezine.Širina in višina piramidnega vzorca sta 25 oziroma 18 µm.Višina paličastega vzorca je bila določena na 25 µm, 10 µm in 1 µm, njegov premer in naklon pa sta se spreminjala od 25 do 200 µm.
Kontaktni kot EGaIn (galij 75,5 %/indij 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republika Koreja) je bil izmerjen z analizatorjem oblike kapljice (DSA100S, KRUSS, Nemčija). Kontaktni kot EGaIn (galij 75,5 %/indij 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republika Koreja) je bil izmerjen z analizatorjem oblike kapljice (DSA100S, KRUSS, Nemčija). Krajevni kot EGaIn (galij 75,5 %/indijski 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republika Koreja) je bil izmerjen s pomočjo kaplevidnega analizatorja (DSA100S, KRUSS, Nemčija). Robni kot EGaIn (galij 75,5 %/indij 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republika Koreja) je bil izmerjen z analizatorjem kapljic (DSA100S, KRUSS, Nemčija). EGaIn（镓75,5 %/铟24,5 %，>99,99 %，Sigma Aldrich，大韩民国）的接触角使用滴形分析仪（DSA100S，KRUSS，德国）测量。 EGaIn (galij 75,5 %/indij 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, 大韩民国) je bil izmerjen z uporabo kontaktnega analizatorja (DSA100S, KRUSS, Nemčija). Krajevni kot EGaIn (galij 75,5 %/indijski 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republika Koreja) je bil izmerjen s pomočjo analizatorja oblike kapi (DSA100S, KRUSS, Nemčija). Robni kot EGaIn (galij 75,5 %/indij 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republika Koreja) je bil izmerjen z analizatorjem pokrova oblike (DSA100S, KRUSS, Nemčija).Postavite substrat v stekleno komoro 5 cm × 5 cm × 5 cm in nanesite 4–5 μl kapljice EGaIn na substrat z uporabo brizge s premerom 0,5 mm.Da bi ustvarili parni medij HCl, smo poleg substrata postavili 20 μL raztopine HCl (37 mas.%, Samchun Chemicals, Republika Koreja), ki je bila dovolj uparjena, da je napolnila komoro v 10 s.
Površino smo slikali s SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republika Koreja).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republika Koreja) je bil uporabljen za preučevanje elementarne kvalitativne analize in porazdelitve.Topografijo površine EGaIn/Cu/PDMS smo analizirali z uporabo optičnega profilometra (The Profilm3D, Filmetrics, ZDA).
Da bi raziskali spremembo električne prevodnosti med cikli raztezanja, so bili vzorci z in brez EGaIn vpeti na opremo za raztezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) in bili električno povezani z merilnikom izvora Keithley 2400. Da bi raziskali spremembo električne prevodnosti med cikli raztezanja, so bili vzorci z in brez EGaIn vpeti na opremo za raztezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) in bili električno povezani z merilnikom izvora Keithley 2400. Za raziskave spremembe elektroprovodnosti v času ciklov raztezanja so bili vzorci z EGaIn in brez njega so bili utrjeni na opremi za raztezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) in električni podporniki so bili vključeni v merilni vir Keithley 2400. Za preučevanje spremembe električne prevodnosti med cikli raztezanja so bili vzorci z in brez EGaIn nameščeni na opremo za raztezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) in električno povezani z merilnikom vira Keithley 2400.Za preučevanje spremembe električne prevodnosti med cikli raztezanja so bili vzorci z in brez EGaIn nameščeni na raztezno napravo (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Republika Koreja) in električno povezani s Keithley 2400 SourceMeter.Meri spremembo odpornosti v območju od 0 % do 70 % deformacije vzorca.Za test stabilnosti je bila sprememba odpornosti izmerjena v 4000 ciklih obremenitve 30 %.
Za več informacij o zasnovi študije glejte povzetek študije Nature, povezan s tem člankom.
Podatki, ki podpirajo rezultate te študije, so predstavljeni v datotekah z dodatnimi informacijami in neobdelanimi podatki.Ta članek vsebuje izvirne podatke.
Daeneke, T. et al.Tekoče kovine: kemijske osnove in aplikacije.Kemični.družbe.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Lastnosti, izdelava in uporaba delcev tekočih kovin na osnovi galija. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Lastnosti, izdelava in uporaba delcev tekočih kovin na osnovi galija.Lin, Y., Genzer, J. in Dickey, MD Lastnosti, izdelava in uporaba delcev tekočih kovin na osnovi galija. 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. in Dickey, MD Lastnosti, izdelava in uporaba delcev tekočih kovin na osnovi galija.Napredna znanost.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD. Proti tokokrogom vse mehke snovi: prototipi kvazi-tekočih naprav z značilnostmi memristorja. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Tokokrogi v celoti iz mehke snovi: prototipi kvazi-tekočih naprav z značilnostmi memristorja.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD, in Velev, OD To vezja, v celoti sestavljena iz mehke snovi: prototipi kvazi-tekočih naprav z značilnostmi memristorja. 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, in Velev, OD Proti vezjem Vse mehke snovi: prototipi kvazi-fluidnih naprav z lastnostmi memristorja.Napredna alma mater.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Stikala iz tekoče kovine za okolju prijazno elektroniko. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Stikala iz tekoče kovine za okolju prijazno elektroniko.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Stikala iz tekoče kovine za okolju prijazno elektroniko. 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 in Kramer, RKBilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Stikala iz tekoče kovine za okolju prijazno elektroniko.Napredna alma mater.Interface 4, 1600913 (2017).
Torej, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionsko usmerjanje toka v diodah iz mehke snovi z elektrodami iz tekoče kovine. Torej, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionsko usmerjanje toka v diodah iz mehke snovi z elektrodami iz tekoče kovine. Tako, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionsko izravnavanje toka v diodi iz mehkega materiala z elektrodami iz tekoče kovine. Tako JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Usmerjanje ionskega toka v diodah iz mehkega materiala z elektrodami iz tekoče kovine. Torej, 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。 Torej, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Tako, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Tako JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Usmerjanje ionskega toka v diodah iz mehkega materiala z elektrodami iz tekoče kovine.Razširjene zmogljivosti.alma mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrikacije za popolnoma mehke elektronske naprave z visoko gostoto na osnovi tekoče kovine. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrikacije za popolnoma mehke elektronske naprave z visoko gostoto na osnovi tekoče kovine.Kim, M.-G., Brown, DK in Brand, O. Nanofabrikacije za vse mehke elektronske naprave na osnovi tekočih kovin z visoko gostoto.Kim, M.-G., Brown, DK, in Brand, O. Nanofabrikacija mehke elektronike visoke gostote na osnovi tekoče kovine.Narodna komuna.11, 1–11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn je raztegljiva elektronska lupina za interaktivno elektroniko in lokalizacijo CT.alma mater.Raven.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidrotiskana elektronika: ultratanka raztegljiva Ag–In–Ga E-koža za bioelektroniko in interakcijo med človekom in strojem. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidrotiskana elektronika: ultratanka raztegljiva Ag–In–Ga E-koža za bioelektroniko in interakcijo med človekom in strojem.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. in Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: ultratanka raztegljiva elektronska koža Ag-In-Ga za bioelektroniko in interakcijo med človekom in strojem. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidrotiskana elektronika: ultratanka raztegljiva Ag-In-Ga E-koža za bioelektroniko in interakcijo človek-stroj. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidrotiskana elektronika: ultratanka raztegljiva Ag-In-Ga E-koža za bioelektroniko in interakcijo človek-stroj.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K. in Tawakoli, M. Hydroprinting Electronics: ultratanka raztegljiva elektronska koža Ag-In-Ga za bioelektroniko in interakcijo med človekom in strojem.ACS
Yang, Y. et al.Ultra-natezni in konstruirani triboelektrični nanogeneratorji na osnovi tekočih kovin za nosljivo elektroniko.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. et al.Razvoj mikrokanalnih struktur za senzorje prenapetosti na osnovi tekočih kovin pri sobni temperaturi.znanost.Poročilo 9, 1–8 (2019).
Chen, G. et al.Superelastična kompozitna vlakna EGaIn lahko prenesejo 500-odstotno natezno obremenitev in imajo odlično električno prevodnost za nosljivo elektroniko.ACS se nanaša na alma mater.Interface 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Neposredno ožičenje evtektičnega galija–indija na kovinsko elektrodo za mehke senzorske sisteme. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Neposredno ožičenje evtektičnega galija–indija na kovinsko elektrodo za mehke senzorske sisteme.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. in Bae, J. Neposredna vezava evtektičnega galij-indija na kovinske elektrode za sisteme mehkega zaznavanja. 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galij-indijeva kovinska elektroda, neposredno pritrjena na mehki senzorski sistem.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. in Bae, J. Neposredna vezava evtektičnega galij-indija na kovinske elektrode za mehke senzorske sisteme.ACS se nanaša na alma mater.Vmesniki 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.S tekočo kovino polnjeni magnetoreološki elastomeri s pozitivno piezoelektričnostjo.Narodna komuna.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Visoko občutljivi in ​​raztegljivi večdimenzionalni merilniki napetosti s perkolacijskimi mrežami iz prednapetih anizotropnih kovinskih nanožic.Nanolet.15, 5240–5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. in Zhang, L. Univerzalno avtonomen samozdravilni elastomer z visoko raztegljivostjo. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. in Zhang, L. Univerzalno avtonomen samozdravilni elastomer z visoko raztegljivostjo.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. in Zhang, L. Vsestranski samozdravilni elastomer z visoko elastičnostjo. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. in 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. in Zhang L. Vsestranski samozdravljivi visokonatezni elastomeri brez povezave.Narodna komuna.11, 1–9 (2020).
Zhu X. et al.Ultravlečena kovinska prevodna vlakna z jedri iz tekočih kovinskih zlitin.Razširjene zmogljivosti.alma mater.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. et al.Študij elektrokemijskega stiskanja tekoče kovinske žice.ACS se nanaša na alma mater.Interface 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. et al.Z izhlapevanjem povzročeno sintranje kapljic tekoče kovine z bionanovlakni za prilagodljivo električno prevodnost in odzivno aktiviranje.Narodna komuna.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD et al.Evtektični galij-indij (EGaIn): tekoča kovinska zlitina, ki se uporablja za oblikovanje stabilnih struktur v mikrokanalih pri sobni temperaturi.Razširjene zmogljivosti.alma mater.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Mehka robotika na osnovi tekočih kovin: materiali, dizajni in aplikacije. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Mehka robotika na osnovi tekočih kovin: materiali, dizajni in aplikacije.Wang, X., Guo, R. in Liu, J. Mehka robotika na osnovi tekoče kovine: materiali, konstrukcija in aplikacije. 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. Mehki roboti na osnovi tekočih kovin: materiali, načrtovanje in aplikacije.Wang, X., Guo, R. in Liu, J. Mehki roboti na osnovi tekoče kovine: materiali, konstrukcija in aplikacije.Napredna alma mater.tehnologija 4, 1800549 (2019).