具有快速可调粘附力的激光驱动印章

《Chemical Engineering Journal》：Laser-actuated stamp with rapidly tunable adhesion

　　• 该印模通过红外激光驱动实现了快速可调的粘附力。• 该印模能够提供98.82?kPa的高初始粘附力用于拾取。• 实现了超过200的高粘附切换比。• 释放响应时间在10?ms以内。• 实现了可靠的芯片可编程转移印刷。引言具有可切换粘附性的智能粘附剂在众多应用领域展现出巨大潜力，包括生物医学器件[1]，[2]，[3]、爬壁机器人[4]，[5]，[6]、夹持器[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]以及微电子器件自动化装配[13]，[14]，[15]。自然进化已在壁虎脚[16]，[17]，[18]、甲虫足[19]，[20]，[21]和章鱼触手[22]，[23]，[24]等动物物种中提供了此类智能粘附剂的令人印象深刻的范例。利用复杂的微/纳米结构结合相应的肌肉作用，这些生物器官能够主动调节其粘附强度以实现快速运动，这激发了大量研究开发人工粘附剂，如蘑菇状干粘附剂[25]，[26]，[27]，[28]、杯状微结构[29]，[30]，[31]和分级粘附表面[32]，[33]，[34]，[35]。尽管人工粘附剂取得了显著进展，但能够在用于物体拾取的强粘附力和用于物体释放的超低残余粘附力之间快速切换的策略仍然罕见。事实上，此类策略对于智能生产线中的机器人系统至关重要，尤其是在超精密半导体行业中，因为该领域操作的对象在尺寸和重量上差异很大（例如，大尺寸晶圆和微小芯片），要求高粘附切换比，且转移操作必须快速以满足高生产率需求。当前人工粘附剂的可切换粘附主要通过对热、光、磁场、黏弹性、气压和机械载荷等外部刺激来调节表面形貌实现。然而，由于某些固有局限性，这些策略尚不能完全满足上述要求。例如，基于热和光刺激的智能粘附剂通常响应速度较慢（>10?s）[10]，[36]，[37]，[38]。虽然磁场、黏弹性和气压驱动的智能粘附剂具有相对较短的响应时间，但它们要么粘附切换比有限，要么拾取粘附力较弱[39]，[40]，[41]。因此，使用这些方法处理芯片等超轻物体仍然困难或耗时，因为快速释放在很大程度上依赖于物体的重力[8]，[42]，[43]，[44]。基于机械载荷的方法，如预加载下粘附剂的弹性屈曲，可以提供强粘附力实现拾取，但需要高预载才能实现释放[45]，[46]，[47]，[48]，这在操作大尺寸晶圆等薄且脆弱的物体时可能带来问题。近年来，激光辅助转移技术因其快速响应和优异的可编程性等内在特性而备受关注[49]，[50]，[51]。在这些技术中，界面处强烈的局域激光-物质相互作用触发界面吸收层的蒸发/熔化，或引起界面热失配和分层，从而实现目标向接收基板的释放[52]，[53]，[54]，[55]。然而，系统内可能出现不期望的过度温升（>250?°C），这可能对芯片等目标造成永久性热损伤或机械损伤。理想的激光辅助转移技术应在低温度升高条件下提供可调粘附。一种有前景的方法是采用分级“气针”[50]、气腔[56]，[57]或水凝胶[58]作为中间驱动层，在激光照射下引起粘附表面的膨胀，从而确保弱界面粘附并促进物体从粘附剂向接收基板的弹出。这些方法展现出优异的转移能力，在低温升条件下实现超弱粘附强度，但缺乏增强初始粘附强度的策略，而初始粘附强度对于可靠拾取至关重要。在此，我们提出了一种简单而稳健的印模，其内部腔体填充热膨胀复合材料（TECM），表面覆盖有图案化蘑菇状微结构的粘附层（图1a）。该印模不仅能提供用于拾取的高初始粘附力，还能通过红外激光驱动实现用于物体释放的超低残余粘附力。此外，释放响应时间在150?ms以内，温升低于100?°C，能够实现快速、无损的转移操作。图1示意性地展示了使用该印模进行激光驱动转移操作的典型过程。首先在较小预载下实现印模与目标之间的保形接触（图1b）。随后，由于粘附层提供的强粘附力，目标可被拾取并转移到接收基板（图1c）。到达接收基板上方并留出微小间隙后，开启顶部对准的红外激光照射（图1d），使TECM内部进行热吸收和热传递，随后TECM热膨胀。TECM的膨胀对表面粘附层施加压力，形成隆起（图1e），导致弱界面粘附并使目标快速释放（图1f）。系统的实验和数值研究为印模设计的基本方面提供了深入见解，并揭示了潜在的粘附可调机制。晶圆操作和小尺寸芯片可编程转移印刷的演示突出了该可切换粘附印模的独特能力。所提出的印模为可调和可逆粘附剂提供了一种替代设计策略，在工业或机器人操作以及确定性组装中具有广阔的应用前景。章节片段材料与仪器PDMS（Axson 296弹性体），固化剂与PDMS基体质量比为1:10，由瑞士西卡公司提供。PDMS（Sylgard 184），基体与固化剂质量比为10:1，由道康宁公司提供。热膨胀微球（TEMs，F35D），平均粒径20?μm，购自日本松本油脂制药株式会社。多壁碳纳米管（MWCNTs）购自中国苏州坦丰科技有限公司。所有材料均购自印模的初始粘附性能图2a展示了直径为5?mm的印模的光学和SEM图像，其TECM半径和高度分别为1.5和0.5?mm。顶部粘附层（厚80?μm，由Axson 296 PDMS制成）图案化有密集的蘑菇状微结构以实现高粘附性能。每个微结构半径为7?μm，高度为17?μm（顶部SEM图像）。内部TECM是PDMS（Sylgard 184）、多壁碳纳米管（MWCNTs，作为激光吸收和结论总之，我们报道了一种基于红外激光驱动的新型可切换粘附策略，采用简单而稳健的印模。该印模具有填充TECM的腔体和封装TECM的粘附层，其中内部TECM作为中间驱动层，在红外激光照射下实现界面膨胀，而具有密集蘑菇状微结构的表面粘附层提供强粘附力。该印模可提供高达98.82?kPa的初始粘附力CRediT作者贡献声明李帅：初稿撰写、可视化、项目管理、方法学、调查、资金获取、数据管理、概念化。田洪淼：审阅与编辑、方法学、资金获取。张嘉旭：可视化、验证、软件。佟喆：验证、监督、调查。李向猛：审阅与编辑、项目管理、概念化。聂邦邦：监督、软件、资金获取。利益冲突声明作者声明无利益冲突。致谢本工作受国家自然科学基金资助[项目号：52405633，12232013]、山西省基础研究计划[项目号：202403021212142]、中国博士后科学基金[项目号：2025T180368]、中国博士后科学基金会博士后项目[项目号：GZB20240686]、山西省半导体超精密加工技术与智能装备重点实验室开放基金[项目号：XJZZ202501]资助。李帅|田洪淼|张嘉旭|佟喆|李向猛|聂邦邦