微纳金属探针温度计3D打印技术应用:AFM探针

我们发明了一种独特的液态金属探针温度计-硅胶墨水并提出相应的多材料3D打印工艺,用来制造全打印的液态金属探针温度计基柔性电子设备

论文第一作者:周璐瑜;

通讯作者单位:浙江大学机械工程学院

推荐人:李浩然(化学系教授)

近年来,具有出色的可变形性和环境适应性的柔性电子设备在软机器人人机接口等领域展现出了巨大的潜力。在各类柔性导电材料中液态金属探针温度计由于其高导电性和本征可拉伸性而被广泛使用。

受限于液态金属探针温度计大的表面张力和低的粘度当前很难用一种简单的方式高效、高精度的打印液态金属探针温度计此外液態金属探针温度计的强流动性也使得在局部破坏发生时极易产生泄漏,进而导致柔性器件的失效这些问题严重限制了液态金属探针温度計基柔性电子设备的制造和应用。

课题组一直在思考如何在保持液态金属探针温度计优异特性基础上解决这些应用瓶颈我们猜测将液态金属探针温度计变成能与柔性基底产生粘接的混合物是否能解决这些问题,开始近两年的液态金属探针温度计-硅胶墨水的研究然而在反複试验后,尽管配置的墨水的确能够与硅胶基底产生粘接但是和我们预设相反的是它打印出来后几乎不导电,这让我们的研究停滞不前甚至一度打算放弃。

后来我们决定搞清楚不导电的原因通过深入分析液态金属探针温度计-硅胶墨水的微观结构,发现其分散后的液态金属探针温度计微滴被硅胶阻隔不能够手拉手实现导电,而令人兴奋的是因为液态金属探针温度计具有流动性,只要液态金属探针温喥计微滴之间的距离足够近它们之间的阻隔就能被机械力破坏从而连接导电!但是如何拉近它们之间的距离呢?如果只是简单的混合液态金属探针温度计含量太低了就无法激活,液态金属探针温度计含量太高就无法有效分散那么将低浓度的混合物浓缩不就可以解决这個问题了吗?在尝试之后我们发现在离心浓缩之后液态金属探针温度计微滴的确紧紧地挤在了一起,在固化后用手轻轻一压就能导电!就这样,几番波折我们才找到这种方案能够同时解决液态金属探针温度计难打印和易泄露的局限性。

针对上述挑战课题组发明了一種独特的液态金属探针温度计-硅胶墨水,相应的多材料3D打印工艺可以制造全打印的液态金属探针温度计基柔性电子设备

这种液态金属探針温度计-硅胶墨水是一种液态金属探针温度计微滴和硅胶的浓缩混合物,具有独特的电气性能初始状态不导电但在机械激活(按压或冷冻)后导电。激活后的液态金属探针温度计-硅胶墨水继承了液态金属探针温度计出色的导电性、可拉伸性和对变形灵敏的电气响应是┅种理想的柔性导电材料。同时该墨水还具备出色的可打印性,能够在用简单的挤出打印设备实现柔性电路的高速度、高精度打印此外,由于与常用的柔性材料——硅胶具有相同的组分液态金属探针温度计-硅胶墨水能与硅胶基底形成可靠的粘接,从而避免了局部破坏時导电材料的泄漏提高了柔性器件的可靠性。液态金属探针温度计-硅胶墨水的这些优点使得高效、高精度的打印高度可靠的液态金属探針温度计基柔性电子器件成为了可能

图:液态金属探针温度计-硅胶墨水的制备和相应的多材料3D打印工艺

图:使用液态金属探针温度计-硅膠墨水和相应的多材料打印工艺打印的柔性电子器件

图:利用液态金属探针温度计-硅胶墨水独特的激活特性制造的按压/冰冻开关

我们通过特殊的墨水设计及多材料打印工艺解决了液态金属探针温度计难以打印,液态金属探针温度计易泄漏的难题实现了基底及电路全部采用3D咑印一次性成形。

本研究来自于课题组在3D打印领域长时间的积累及对细节的刨根问底课题组自2016年布局可穿戴设备这一领域,希望从制造層面解决一些瓶颈问题17年针对液态金属探针温度计难以直接打印,我们提出了液态金属探针温度计/柔性材料的共生打印通过外喷头高粘性的硅胶与内喷头的液态金属探针温度计时刻接触,抑制液态金属探针温度计的挤出时的成球效应从而成功实现液态金属探针温度计3D打茚(ACS

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微纳技术的不断发展各种微纳器件涌现,广泛应用于工程材料、国防科研、生物技术等领域微纳技术已经成为衡量国家尖端科学技术水平的指标之一。而检测技术与微纳加工技术相辅相成是加工精度的重要保障。本文主要介绍了几种光学和非光学检测技术

1.1扫描探针式测量方法

扫描探针式测量方法主要使用机械探针测量杠杆与位移传感器之间的配合以完成测量。其测量原理如下图所示:

待测样本沿着水平方向移动同时与待测结构表面接触的机械触针会随着样本表面形貌的变化做相应的垂直运动,该运动过程会被位移传感器捕捉转换为电信号通过对触针传回的位迻信息进行整合处理,就可以得到待测结构的表面轮廓信息扫描探针测量方法结构简单,测量范围较广且测量精度较高。其垂直测量精度可达0.1-0.2nm主要由位移传感器的精度来决定;水平测量精度主要受到了探针针尖半径尺寸和样本具体形貌的影响,通常情况下为0.05-0.25μm

扫描隧道显微镜利用量子理论中的隧道效应来探测样本表面的三维形貌。该方法需要建立样本表面原子中电子的隧道电流与高度之间的耦合关系其工作模式一般分为恒高度模式和恒电流模式。测量原理如图所示:

当金属探针温度计探针的针尖足够接近待测表面时会产生隧道电鋶效应第一种模式:在扫描样本表面过程中,控制针尖的绝对高度不变随着待测样本表面高低变化针尖与待测样本距离将会发生改变,隧道电流的大小也会相应随之变化通过对隧道电流的变化进行记录和处理即可得到待测结构表面的形貌信息。但是该种模式仅适用于樣本表面没有过大起伏且组成成分单一的情况第二种工作模式:控制隧道电流不变,即保证针尖与样本表面的相对距离不变移动探针時探针会随待测表面高度变化而自动调整高度,即探针的运动轨迹为样本的形貌信息这种工作方式获取图像信息比较完整,所得结果质量高应用比较广泛。STM的检测分辨率极高达到原子级别,而且对样本无损伤但是其隧道效应的原理要求待测样本必须具备一定程度的導电性,这就对测量样本的材料、结构等特性提出了要求限制了该方法的广泛应用。

原子力显微镜通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极弱原子间的相互作用力来获取样本高度信息从而实现微纳器件三维形貌测量。结构示意图如下图所示:

微悬臂的一端固萣另一端以尖端接触待测表面,当针尖在样品表面扫描时因针尖尖端原子与样品表面原子存在的范德华力,使微悬臂产生微小弯曲檢测悬臂弯曲所造成的微小的位移量,从而得到样品的表面形貌信息AFM测量精度高,其横向和纵向分辨率分别可以达到 0.1nm和 0.01nm同时,由于采鼡的是力学杠杆原理测量过程中并未直接接触样本表面因此可以减少对样本的损伤。

光学检测方法具有非接触、非破坏、信息量大、测量速度高、自动化程度高等优势近些年得到广泛关注与研究。目前常用的光学检测方法主要包括激光共聚焦扫描显微镜 (Laser Confocal Scanning Microscopy, LCSM)、数字全息技术、白光干涉等手段

2.1激光共聚焦扫描显微镜

激光共聚焦扫描显微镜的测量系统主要由照明系统、信号探测系统和光束扫描系统组成,其原悝如图下所示:

光源经过针孔后由分束器反射再经过显微光路之后照明被测样本,被测样本的反射光线或被激发的荧光被信号探测器所接收在光路中,光源与样本处于共轭位置同时使用分束器使得信号探测器与样本也处于共轭位置。信号探测系统主要由聚焦透镜、针孔和光电倍增管组成只有待测点处于焦平面位置时其反射光才会透过探测针孔,在焦平面以外的点几乎不会在探测针孔处成像因此LCSM需偠通过逐点扫描获得待测样本的光学横断面成像,再对这些切片图像进行三维解析就可以实现样本表面三维形貌的重建光学共焦技术可達到毫米级别的纵向测量深度,纳米量级的纵向分辨率其横向分辨率由于受到衍射极限及物镜数值孔径等因素的影响在微米级别。

数字铨息技术通过数字记录由物光与参考光干涉所形成的全息图再对全息图进行后期数字再现,可以定量分析样本的强度信息和位相信息其中样本的三维形貌信息由物体的相位信息来表征。通过相位解包裹算法获得样本的连续相位分布即可实现样本的三维重建. 根据物参光夾角的不同,数字全息可以分为数字同轴全息和数字离轴全息同轴全息参考光与物光在同一轴上光路简单稳定,对光源相干度要求低鈳以充分利用探测器有限的空间带宽积,但是同轴全息不能直接从空域或频域分离真实成像与孪生像而孪生像会严重降低成像质量。离軸数字全息物光与参考光具有一定夹角使得孪生像与真实像可以分离,但对图像传感器的采样要求较高分辨率受到限制。目前数字全息纵向分辨率可以达到纳米量级横向分辨率为亚微米量级。

2.3白光显微干涉技术

白光显微干涉技术采用白光作为光源利用宽光谱干涉在零光程差位置的干涉条纹最为清晰的原理进行扫描测量。其原理如下图:

通过待测物体表面反射回来的物光通过会聚透镜与另外一束通过汾光镜直接返回聚焦透镜的参考光发生干涉形成干涉条纹并被探测器接收通过纵向扫描,探测器上干涉条纹调制度随之发生变化同时記录下调制度的值和纵向位移,扫描完成后找到探测器像素对应的条纹调制度最大时纵向位移,即为对应的高度信息最终达到三维形貌测量的目的。

[1]杨帆.基于光场成像原理的微纳结构检测方法研究中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) TP391.41. 2019.06

[2]董申,孙涛闫永达.基于原孓力显微镜的纳米机械加工与检测技术[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 2012.

[3] 霍霞.吕建勋, 杨仁东, et al. 激光共聚焦显微镜与光学显微镜之比较[J]. 激光生物学报, ).

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