《npj Flexible Electronics》：用于印刷瞬態(tài)傳感器和無線電子的鋅混合燒結(jié)（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(xué)提供了一個(gè)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(bào)告了一種可擴(kuò)展的方法，協(xié)同結(jié)合化學(xué)和光子機(jī)制來燒結(jié)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(gè)連續(xù)的層。所得到的燒結(jié)鋅圖樣的電導(dǎo)率值高達(dá)5.62×10⁶Sm^?1。印刷鋅痕跡的電導(dǎo)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(yīng)變和無芯片無線力傳感器，以及用于遠(yuǎn)程供電的射頻感應(yīng)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(chǎn)品和瞬態(tài)植入物的增材制造提供了新的途徑。

文獻(xiàn)介紹：

  瞬態(tài)電子設(shè)備，即在給定環(huán)境中完全降解而不產(chǎn)生有害副產(chǎn)品的電子組件和設(shè)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(shù)的需要。人們提出了不同的材料，如可溶金屬、可降解半導(dǎo)體、基底和電介質(zhì)。這些發(fā)展導(dǎo)致了各種設(shè)備的演示，包括電池、加熱器、晶體管、能量收集器，以及壓力、應(yīng)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(dǎo)體工業(yè)的微加工技術(shù)，以及使用掩膜技術(shù)或轉(zhuǎn)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(zhì)上的困難。作為一種替代方法，增材制造技術(shù)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(lǐng)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(kuò)展了可定制的、可變形的或高度適形的傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可能性，這可以是自供電或遠(yuǎn)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(dǎo)率通常很低或不存在，并且需要一個(gè)燒結(jié)步驟，即將材料致密化而不熔化到液化點(diǎn)。由于這些材料的反應(yīng)性，以及它們?nèi)菀自诳諝庵凶匀恍纬裳趸瘜樱@一點(diǎn)尤其具有挑戰(zhàn)性。目前提出的方法很少，可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)印刷可降解的可生物降解導(dǎo)電層。這些方法側(cè)重于鋅，因?yàn)樗娜埸c(diǎn)很低，而且它的微顆粒和納米顆粒形式的價(jià)格適中。目前應(yīng)用于燒結(jié)鋅顆粒的方法可分為光子和電化學(xué)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(shí)最小化與襯底的相互作用。它們通常受到鋅顆粒的高熔點(diǎn)（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(tuán)聚。即使施加高于10Jcm^?2的燒結(jié)脈沖強(qiáng)度，所達(dá)到的電導(dǎo)率仍然有限。鋅的電化學(xué)燒結(jié)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(zhuǎn)化為鋅離子。金屬離子在粒子之間重新沉積，從而形成導(dǎo)電路徑。電化學(xué)燒結(jié)通常產(chǎn)生較低的電導(dǎo)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(jié)劑。最后，當(dāng)用瞬態(tài)金屬制造復(fù)雜的柔性器件時(shí)，一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)是，它們的反應(yīng)性阻礙了使用多個(gè)后處理步驟，這可能會(huì)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(chǎn)生具有足夠運(yùn)行時(shí)間的穩(wěn)定器件。

  在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種可擴(kuò)展和增材制造高導(dǎo)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(diǎn)。閃光燈退火（也稱為光子燒結(jié)）用于進(jìn)一步燒結(jié)金屬圖案。這種方法可以使印刷瞬態(tài)金屬達(dá)到無與倫比的電導(dǎo)率，高達(dá)5.62×10⁶Sm^?1，僅比散裝鋅(16.6×10⁶Sm^?1)的電導(dǎo)率低約三倍。作為一個(gè)額外的好處，傳遞到樣品的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以前關(guān)于鋅光子燒結(jié)的研究。這允許增加與較低的熱預(yù)算基底的兼容性。證明了打印跡線的機(jī)械靈活性以及它們在與其操作相關(guān)的環(huán)境中的穩(wěn)定性。由于瞬態(tài)金屬跡線的堅(jiān)固性，制造需要進(jìn)一步固化或沉積步驟的多層設(shè)備成為可能。本文報(bào)道了一套印刷的物理傳感器，包括電阻應(yīng)變和溫度傳感器，以及一個(gè)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(xué)和物理機(jī)制來獲得高導(dǎo)電性（與熱固化銅或銀墨水相當(dāng)）的瞬態(tài)金屬痕跡。這些進(jìn)展為添加劑制造的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)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

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