《npj Flexible Electronics》：用于印刷瞬態(tài)傳感器和無線電子的鋅混合燒結（IF=14.676）

背景：

  瞬態(tài)電子為減少電子廢物和用于植入生物電子學提供了一個有前途的解決方案，但它們的制造仍然具有挑戰(zhàn)性。我們報告了一種可擴展的方法，協(xié)同結合化學和光子機制來燒結印刷的鋅微粒。在使用酸性溶液還原氧化物層后，使用閃光燈退火處理將鋅顆粒凝聚成一個連續(xù)的層。所得到的燒結鋅圖樣的電導率值高達5.62×10⁶Sm^?1。印刷鋅痕跡的電導率和耐久性使生物可降解傳感器和LC電路的制造成為可能：溫度、應變和無芯片無線力傳感器，以及用于遠程供電的射頻感應線圈。該工藝可以減少傳遞到基板的光子能量，并與溫度敏感的聚合物和纖維素基底兼容，為生物可降解電子產品和瞬態(tài)植入物的增材制造提供了新的途徑。

文獻介紹：

  瞬態(tài)電子設備，即在給定環(huán)境中完全降解而不產生有害副產品的電子組件和設備，在減少電子廢物方面顯示出潛力，并使新型生物可吸收植入物成為可能，消除了再手術的需要。人們提出了不同的材料，如可溶金屬、可降解半導體、基底和電介質。這些發(fā)展導致了各種設備的演示，包括電池、加熱器、晶體管、能量收集器，以及壓力、應變和溫度傳感器。這些功能性生物可降解組件和器件大多依賴于來自半導體工業(yè)的微加工技術，以及使用掩膜技術或轉移打印，以避免將功能層直接繪制在溫度和溶劑敏感的可生物降解基質上的困難。作為一種替代方法，增材制造技術在制造柔性瞬態(tài)電子器件方面顯示出了前景，特別是在需要大面積、成本效益和低廢物制造的領域。數(shù)字增材制造還具有允許在3D曲線曲面上自由打印和多傳感范式的無縫集成的優(yōu)勢。這擴展了可定制的、可變形的或高度適形的傳感器網絡的設計可能性，這可以是自供電或遠程供電的。這些制造方法有潛力為功能性可降解電子器件的制造開辟新的可能性，但需要聯(lián)合優(yōu)化可打印的油墨的配方、沉積工藝和后處理方法。在將瞬態(tài)金屬微顆?；蚣{米顆粒油墨沉積后，電導率通常很低或不存在，并且需要一個燒結步驟，即將材料致密化而不熔化到液化點。由于這些材料的反應性，以及它們容易在空氣中自然形成氧化層，這一點尤其具有挑戰(zhàn)性。目前提出的方法很少，可以實現(xiàn)燒結印刷可降解的可生物降解導電層。這些方法側重于鋅，因為它的熔點很低，而且它的微顆粒和納米顆粒形式的價格適中。目前應用于燒結鋅顆粒的方法可分為光子和電化學兩類。光子方法是基于使用高功率激光器或燈來選擇性地加熱金屬層，同時最小化與襯底的相互作用。它們通常受到鋅顆粒的高熔點（Tm=1950°C）天然氧化層的限制，該氧化層通過將金屬鋅保持在固體殼中而阻止了有效的顆粒團聚。即使施加高于10Jcm^?2的燒結脈沖強度，所達到的電導率仍然有限。鋅的電化學燒結是一種室溫方法，利用乙酸或類似物之間的相互作用，將天然氧化層轉化為鋅離子。金屬離子在粒子之間重新沉積，從而形成導電路徑。電化學燒結通常產生較低的電導率值（在1-3×10⁵Sm^?1左右），這是由于顆粒之間的橋接和層中存在殘留的粘結劑。最后，當用瞬態(tài)金屬制造復雜的柔性器件時，一個反復出現(xiàn)的挑戰(zhàn)是，它們的反應性阻礙了使用多個后處理步驟，這可能會損壞金屬跡線。因此，需要開發(fā)可靠的添加劑制造生態(tài)或生物可吸收金屬痕跡的工藝，與后處理步驟兼容，產生具有足夠運行時間的穩(wěn)定器件。

  在這項工作中，我們提出了一種可擴展和增材制造高導電瞬態(tài)金屬鋅跡線的混合方法。通過印刷沉積后，鋅微粒通過乙酸溶液還原天然氧化物殼。該還原劑通過優(yōu)化的噴涂工藝來提供，其目的是減輕先前提出的分配方法的缺點。閃光燈退火（也稱為光子燒結）用于進一步燒結金屬圖案。這種方法可以使印刷瞬態(tài)金屬達到無與倫比的電導率，高達5.62×10⁶Sm^?1，僅比散裝鋅(16.6×10⁶Sm^?1)的電導率低約三倍。作為一個額外的好處，傳遞到樣品的能量遠遠低于以前關于鋅光子燒結的研究。這允許增加與較低的熱預算基底的兼容性。證明了打印跡線的機械靈活性以及它們在與其操作相關的環(huán)境中的穩(wěn)定性。由于瞬態(tài)金屬跡線的堅固性，制造需要進一步固化或沉積步驟的多層設備成為可能。本文報道了一套印刷的物理傳感器，包括電阻應變和溫度傳感器，以及一個無線電容力和壓力傳感器。在本工作中提出的過程有利地利用化學和物理機制來獲得高導電性（與熱固化銅或銀墨水相當）的瞬態(tài)金屬痕跡。這些進展為添加劑制造的環(huán)保物聯(lián)網組件和生物可吸收電子植入物開辟了新的途徑。

引用：

https://www.nature.com/articles/s41528-023-00249-0