液态金属基空间变异可拉伸电子器件：基于单步可编程转移印刷

《SCIENCE ADVANCES》：Liquid metal-based spatial-variant stretchable electronics via single-step programmable transfer printing

　　

尽管液态金属(LM)图案化取得巨大进展，但已制备的LM基图案因预定且不变的电气与机电特性，仍仅作为互连或传感器等单功能器件。功能单元向全LM多功能可拉伸电子的系统级集成，受限于各单元间不兼容制备协议或力学失配。研究人员提出通过可编程单步转移印刷制备具有空间变异电气与机电特性的多功能全LM可拉伸电子。借助合理设计界面粘附与LM颗粒(LMP)尺寸，使LMP部分或完全转移，实现LM从导电域到非导电域的转变，并调控其电阻与机电响应。基于单步转移印刷的空间变异LM图案可有效避免界面力学失配。结合大规模制造、表面贴装与皮肤接口兼容性，该单步可编程转移印刷可为面向生理和心理健康监测的独立全LM可拉伸电子奠定基础。

研究背景方面，共晶镓铟(EGaIn)等LM因室温导电与流动性成为可拉伸电子重要基元，但高表面能与表面氧化物使图案化困难。现有LM互连与传感单元设计准则和制备工艺差异大，异质材料集成带来界面力学失配，几何结构设计则劳动密集且不利微型化，全LM多功能系统集成长期受限。

该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》，研究人员提出以同种材料微结构异质化替代材料或几何异质化，通过单步可编程转移印刷实现全LM空间变异可拉伸电子。

主要关键技术方法上，研究人员采用尖头超声制备不同尺寸LMP，以聚酰亚胺(PI)或玻璃为供体基底、PDMS为受体基底，利用空气喷涂与激光图案化PI掩模实现选择性沉积；通过调控LMP尺寸与供体/受体界面粘附，实现部分转移引发烧结得导电图案、完全转移得绝缘图案；结合有限元分析(FEA)建模剥离应力与氧化物壳破裂；人体实验经机构审批，由一名男性受试者完成运动与认知测试下的多模态生理监测。

RESULTS

Mechanism of filtration-based transfer printing：研究人员通过供体粘附强于复合材料内聚时发生层内断裂、LMP氧化物壳在剥离应力下破裂，实现部分转移与导电；供体粘附弱时发生界面失效，LMP完整嵌入PDMS成绝缘复合层。FEA显示剥离前沿主应力随LMP直径增大而升高，临界尺寸由表面张力T、氧化物壳厚t与剥离应力决定，d_c=√(8Tt/σ_peel)。

Tunable electrical/electromechanical properties：部分转移pLMP中LMP越小晶界越多，方阻越高、机电响应越低；顺序喷涂或混合LMP可连续调阻；完全转移cLMP_0.63绝缘且在100%拉伸不导电，介电梯度ε_com约28–32，并实现电导与热导解耦，激光加热下峰值温度显著降低。

LM electronics with spatial-variant electrical/electromechanical properties：顺序喷涂不同尺寸LMP后单步转移，低阻pLMP_3.43与高阻pLMP_0.63界面接触电阻在100%拉伸下仅变约2 Ω，远优于激光诱导石墨烯(LIG)/LM银浆异质集成；可利用阻值对比制焦耳加热器、3×3热显示阵列及导电/绝缘共面混合电子。

High-precision and large-sized patterning for display and rf energy harvesting：转移印刷获4×4可拉伸LED阵列、150 μm线宽近场通信(NFC)线圈及大面积蝶形天线整流天线(rectenna)，5 m外1000 W射频辐射可点亮LED，并可为激光诱导石墨烯超级电容充电。

LM-based spatial-variant stretchable electronics for sensing, Joule heating, heat dissipation, and modulus reconfiguration：指节应变传感中高阻传感单元精准响应第二指节；共面cLMP_0.63作散热层使高功率LED峰值温度由145℃降至110℃；相变镓“马蹄”单元配合LM加热器使基板模量在0.37–0.6 MPa重构。

All-LM–based multimodal physiological sensing systems：单步转移制成无线充电线圈+高阻应变单元、ECG与皮肤电反应(GSR)电极；运动—认知协议中HR、HRV、副交感(PNS)/交感(SNS)、呼吸率显示运动缓解精神疲劳，验证全LM多模态系统可用于生理与心理评估。

DISCUSSION

研究人员指出，单步可编程转移印刷以LMP尺寸与界面粘附调控导电/绝缘转变，避免功能单元力学失配，实现微型化、稳定与多功能；高精度模板可将线宽推至约30 μm，器件经80℃/80%RH加速老化后仍保功能。结论为：该单步可编程转移印刷兼具高分辨、大面积、表面贴装与皮肤接口能力，可为生理和心理健康监测用独立全LM可拉伸电子开辟路径。