今日Nature Electronics: 保形增材印章打印和三维曲面电子器件

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目前各种电子、微电子主要是基于微加工技术工艺制作而成的二维平面结构器件。然而，有许多器件需求三维结构形状，并且其功能与其三维形状紧密相关。例如，具有植入式的智能隐形眼镜，弯曲焦平面的成像器，和具有曲线形状的天线等。如何制造这类三维曲面电子器件 (3D curvy electronics)，尤其是尺寸从毫米到厘米范围的器件是一个技术难题。

现有的电子制造技术，例如成熟的基于晶圆的平面微纳加工工艺，由于其固有的二维特性，在技术上很难实现三维曲线电子学。一些新兴制造技术有各种技术难点，从而无法满足曲面电子制造的需求。例如，折叠工艺无法将二维图形转换成任意的三维形状，如球形或不规则的曲面形状。3D打印制作电子器件主要适用于基于浆的导体和半导体的油墨材料。这些油墨制成的器件性能无法跟传统块材相比拟：例如导体中较低的电导率和半导体中较低的载流子迁移率。

最近，美国休斯顿大学（University of Houston）的余存江 (Cunjiang Yu) 教授课题组开发了一种新颖的制造技术，即保形增材印章打印（Conformal Additive Stamp – CAS Printing）技术，采用充气的气球作为印章从平面基底中拾取二维平面形状的电子设备（即电子墨水），然后将其转移到任意的三维曲面上。相关研究以“Three-dimensional curvy electronics created using conformal additive stamp printing” 为题发表在Nature Electronics上。

图1：CAS 打印的示意图

该方法首先用充气的气球印章接近制作的平面电子器件（即电子墨水），然后使充气的气球与电子墨水紧密接触。由于优异的可变形性，气球能够保形地接触并拾取电子墨水。然后将着墨的气球印章压印到三维曲面上，并且让电子墨水印到曲面上。

图2：CAS打印到各种三维曲面基材上

弹性气球的可变形性使其可以与复杂的三维表面形成紧密的保形接触，因此可以将电子墨水在任意三维曲面基材上印刷。包括凹形，波浪形，凸形边缘，凹形边缘，角锥等。

 图3：CAS转移到半球形外壳上的硅光电探测器，弯曲的螺旋天线，和硅基太阳能电池阵列

作者通过CAS印刷成功将硅光电探测器，弯曲的螺旋天线，和硅基太阳能电池阵列转印在半球形外壳上。在转印之前（在刚性基板上）和之后（在半球形外壳上）对其的性能进行了检验，电学性能在转印前后是相当一致的，并且不受位置的影响。这说明了转印过程没有对电子墨水性能产生破坏和改变。

图4：多功能智能隐形眼镜

具有无创健康监测或成像功能的隐形眼镜是非常有前途的智能可穿戴设备。通过在柔性隐形眼镜上进行CAS印刷，实现了具有多功能的智能隐形眼镜，其中包括乳酸传感器，温度传感器和曲面成像仪。

通过利用传统的微加工电子制造的优势，CAS打印可以创建任意三维弯曲形状的电子器件。气球印章的出色变形能力是CAS打印的技术关键，这项技术可用于创建新颖的电子设备和系统，以用于各种领域，如光电，电子信息和医学。

该文章的通讯作者为休斯顿大学的Bill Cook副教授余存江，该工作由余教授课题组以及科罗拉多大学波尔得分校（University of Colorado, Boulder）的肖建亮教授课题组合作而成。文章的第一作者是休斯顿大学余教授课题组的博士后Kyoseung Sim博士，其他作者包括余教授课题组的陈嵩，饶州铝，路运涛，Faheem Ershad, Seonmin Jang, 肖教授课题组的Zhengwei Li，以及休斯顿大学的Ji Chen教授和Jingshen Liu。

论文信息

Kyoseung Sim, Song Chen, Zhengwei Li, Zhoulyu Rao, Jingshen Liu, Yuntao Lu, Seonmin Jang, Faheem Ershad, Ji Chen, Jianliang Xiao, and Cunjiang Yu*Three-dimensional curvy electronics created using conformal additive stamp printing.全文PDF下载：https://rdcu.be/bRIhF

点击“阅读原文”查看论文原文。

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