Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Ovdje demonstriramo spontana i selektivna svojstva vlaženja legura tekućeg metala na bazi galija na metaliziranim površinama s topografskim značajkama mikroskale.Tekuće metalne legure na bazi galija nevjerojatni su materijali s enormnom površinskom napetosti.Stoga ih je teško oblikovati u tanke filmove.Potpuno vlaženje eutektičke legure galija i indija postignuto je na mikrostrukturiranoj površini bakra u prisutnosti para HCl, čime je uklonjen prirodni oksid iz tekuće metalne legure.Ovo vlaženje je numerički objašnjeno na temelju Wenzelovog modela i procesa osmoze, pokazujući da je veličina mikrostrukture kritična za učinkovito vlaženje tekućih metala izazvano osmozom.Osim toga, pokazujemo da se spontano vlaženje tekućih metala može selektivno usmjeriti duž mikrostrukturiranih područja na metalnoj površini kako bi se stvorili uzorci.Ovaj jednostavan postupak ravnomjerno oblaže i oblikuje tekući metal na velikim površinama bez vanjske sile ili složenog rukovanja.Pokazali smo da supstrati s uzorkom od tekućeg metala zadržavaju električne veze čak i kada su rastegnuti i nakon ponovljenih ciklusa rastezanja.
Tekuće metalne legure na bazi galija (GaLM) privukle su veliku pozornost zbog svojih atraktivnih svojstava kao što su nisko talište, visoka električna vodljivost, niska viskoznost i protok, niska toksičnost i visoka deformabilnost1,2.Čisti galij ima talište od oko 30 °C, a kada se spoji u eutektičke sastave s nekim metalima kao što su In i Sn, talište je ispod sobne temperature.Dva važna GaLM su galij indij eutektička legura (EGaIn, 75 % Ga i 25 % In po težini, talište: 15,5 °C) i galij indij kositar eutektička legura (GaInSn ili galinstan, 68,5 % Ga, 21,5 % In i 10 % kositra, talište: ~11 °C) 1.2.Zbog svoje električne vodljivosti u tekućoj fazi, GaLM-ovi se aktivno istražuju kao vlačni ili deformabilni elektronički putovi za razne primjene, uključujući elektroničke3,4,5,6,7,8,9 napregnute ili zakrivljene senzore 10, 11, 12 , 13, 14 i vodi 15, 16, 17. Izrada takvih uređaja taloženjem, tiskanjem i uzorkovanjem iz GaLM-a zahtijeva poznavanje i kontrolu svojstava međupovršine GaLM-a i njegovog temeljnog supstrata.GaLM imaju visoku površinsku napetost (624 mNm-1 za EGaIn18,19 i 534 mNm-1 za Galinstan20,21) što može otežati rukovanje ili manipulaciju njima.Formiranje tvrde kore prirodnog galijevog oksida na površini GaLM u ambijentalnim uvjetima osigurava ljusku koja stabilizira GaLM u nesferičnom obliku.Ovo svojstvo omogućuje tiskanje GaLM-a, implantaciju u mikrokanale i oblikovanje uzorka s međufaznom stabilnošću postignutom oksidima19,22,23,24,25,26,27.Tvrda oksidna ljuska također omogućuje prianjanje GaLM-a na većinu glatkih površina, ali sprječava slobodno strujanje metala niske viskoznosti.Širenje GaLM-a na većini površina zahtijeva silu da se razbije oksidna ljuska28,29.
Oksidne ljuske mogu se ukloniti, na primjer, jakim kiselinama ili bazama.U nedostatku oksida, GaLM stvara kapljice na gotovo svim površinama zbog svoje velike površinske napetosti, ali postoje iznimke: GaLM vlaži metalne podloge.Ga stvara metalne veze s drugim metalima kroz proces poznat kao "reaktivno vlaženje"30,31,32.Ovo reaktivno vlaženje često se ispituje u odsutnosti površinskih oksida kako bi se olakšao kontakt metala s metalom.Međutim, čak i s prirodnim oksidima u GaLM-u, objavljeno je da kontakti metal-metal nastaju kada se oksidi lome u kontaktima s glatkim metalnim površinama29.Reaktivno vlaženje rezultira malim kontaktnim kutovima i dobrim vlaženjem većine metalnih podloga33,34,35.
Do danas su provedena mnoga istraživanja o korištenju povoljnih svojstava reaktivnog vlaženja GaLM s metalima za formiranje GaLM uzorka.Na primjer, GaLM je primijenjen na čvrste metalne staze s uzorkom razmazivanjem, valjanjem, prskanjem ili maskiranjem sjene34, 35, 36, 37, 38. Selektivno vlaženje GaLM-a na tvrdim metalima omogućuje GaLM-u stvaranje stabilnih i dobro definiranih uzoraka.Međutim, visoka površinska napetost GaLM-a sprječava stvaranje vrlo ujednačenih tankih filmova čak i na metalnim podlogama.Kako bi riješili ovaj problem, Lacour et al.objavio je metodu za proizvodnju glatkih, ravnih tankih filmova GaLM na velikim površinama isparavanjem čistog galija na mikrostrukturirane supstrate obložene zlatom37,39.Ova metoda zahtijeva taloženje pod vakuumom, što je vrlo sporo.Osim toga, GaLM općenito nije dopušten za takve uređaje zbog moguće krtosti40.Isparavanje također taloži materijal na podlogu, tako da je potreban uzorak za stvaranje uzorka.Tražimo način za stvaranje glatkih GaLM filmova i uzoraka dizajniranjem topografskih metalnih karakteristika koje GaLM vlaži spontano i selektivno u odsutnosti prirodnih oksida.Ovdje izvješćujemo o spontanom selektivnom vlaženju EGaIn bez oksida (tipični GaLM) koristeći jedinstveno ponašanje vlaženja na fotolitografski strukturiranim metalnim podlogama.Stvaramo fotolitografski definirane površinske strukture na mikrorazini za proučavanje upijanja, čime kontroliramo vlaženje tekućih metala bez oksida.Poboljšana svojstva vlaženja EGaIn-a na mikrostrukturiranim metalnim površinama objašnjena su numeričkom analizom temeljenom na Wenzelovom modelu i procesu impregnacije.Konačno, demonstriramo taloženje na velikim površinama i oblikovanje uzorka EGaIn kroz samoapsorpciju, spontano i selektivno vlaženje na mikrostrukturiranim površinama taloženja metala.Vlačne elektrode i mjerači naprezanja koji sadrže EGaIn strukture prikazani su kao potencijalne primjene.
Apsorpcija je kapilarni transport u kojem tekućina prodire u teksturiranu površinu 41, što olakšava širenje tekućine.Istraživali smo ponašanje EGaIn-a pri vlaženju na metalnim mikrostrukturiranim površinama taloženim u parama HCl-a (slika 1).Bakar je odabran kao metal za podlogu. Na ravnim bakrenim površinama, EGaIn je pokazao nizak kontaktni kut od <20° u prisutnosti HCl para, zbog reaktivnog vlaženja31 (dodatna slika 1). Na ravnim bakrenim površinama, EGaIn je pokazao nizak kontaktni kut od <20° u prisutnosti HCl para, zbog reaktivnog vlaženja31 (dodatna slika 1). Na ravnim površinama meda EGaIn pokazao je nizak kraevoj ugao <20 ° u prisutnosti para HCl iz reaktivnog namazanja31 (dopunski crtež 1). Na ravnim bakrenim površinama, EGaIn je pokazao nizak kontaktni kut <20° u prisutnosti HCl para zbog reaktivnog vlaženja31 (dodatna slika 1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下显示出<20° 的低接触角31（补充图1).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn在存在HCl Na ravnim mednim površinama EGaIn pokazuje niske crne uglove <20 ° u prisutnosti para HCl iz reaktivnog namaza (dopunski crtež 1). Na ravnim bakrenim površinama, EGaIn pokazuje niske kontaktne kutove <20° u prisutnosti HCl para zbog reaktivnog vlaženja (dodatna slika 1).Mjerili smo bliske kontaktne kutove EGaIn na masovnom bakru i na bakrenim filmovima nanesenim na polidimetilsiloksan (PDMS).
a Stupaste (D (promjer) = l (udaljenost) = 25 µm, d (udaljenost između stupaca) = 50 µm, H (visina) = 25 µm) i piramidalne (širina = 25 µm, visina = 18 µm) mikrostrukture na Cu /PDMS supstrati.b Vremenski ovisne promjene kontaktnog kuta na ravnim podlogama (bez mikrostruktura) i nizovima stupova i piramida koje sadrže PDMS presvučen bakrom.c, d Intervalni snimak (c) pogleda sa strane i (d) pogleda odozgo vlaženja EGaIn na površini sa stupovima u prisutnosti HCl para.
Kako bi se procijenio učinak topografije na vlaženje, pripremljene su PDMS podloge sa stupastim i piramidalnim uzorkom, na koje je bakar nanesen titanovim ljepljivim slojem (slika 1a).Pokazalo se da je mikrostrukturirana površina PDMS supstrata konformno presvučena bakrom (dodatna slika 2).Vremenski ovisni kontaktni kutovi EGaIn na uzorkovanom i planarnom bakreno raspršenom PDMS (Cu/PDMS) prikazani su na sl.1b.Kontaktni kut EGaIn na uzorkovanom bakru/PDMS pada na 0° unutar ~1 minute.Poboljšano vlaženje mikrostruktura EGaIn može se iskoristiti Wenzelovom jednadžbom\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), gdje \({\theta}_{{rough}}\) predstavlja kontaktni kut hrapave površine, \ (r \) Hrapavost površine (= stvarna površina/prividna površina) i kontaktni kut na ravnini \({\theta}_{0}\).Rezultati pojačanog vlaženja EGaIn na površinama s uzorkom dobro se slažu s Wenzelovim modelom, budući da su r vrijednosti za stražnju i površinu s piramidalnim uzorcima 1,78, odnosno 1,73.To također znači da će kapljica EGaIn koja se nalazi na površini s uzorkom prodrijeti u utore ispod reljefa.Važno je napomenuti da se u ovom slučaju formiraju vrlo jednolični ravni filmovi, za razliku od slučaja s EGaIn na nestrukturiranim površinama (dodatna slika 1).
Od fig.1c,d (Dopunski film 1) može se vidjeti da nakon 30 s, kako se prividni kontaktni kut približava 0°, EGaIn počinje difundirati dalje od ruba kapi, što je uzrokovano apsorpcijom (Dopunski film 2 i Dodatni Slika 3).Prethodne studije ravnih površina povezivale su vremensku skalu reaktivnog vlaženja s prijelazom iz inercijalnog u viskozno vlaženje.Veličina terena jedan je od ključnih čimbenika u određivanju hoće li doći do samousisavanja.Usporedbom površinske energije prije i nakon upijanja s termodinamičkog gledišta, izveden je kritični kontaktni kut \({\theta}_{c}\) upijanja (pogledajte dodatnu raspravu za detalje).Rezultat \({\theta}_{c}\) je definiran kao \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) gdje \({\phi}_{s}\) predstavlja razlomak površine na vrhu stupića i \(r\ ) predstavlja hrapavost površine. Imbibicija se može dogoditi kada \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni kut na ravnoj površini. Imbibicija se može dogoditi kada \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni kut na ravnoj površini. Upitivanje se može dogoditi, kada \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), t.e.kontaktni ugao na ravnoj površini. Do apsorpcije može doći kada \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni kut na ravnoj površini.当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平面上的接触角时，会发生吸吸。当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平面上的接触角时，会发生吸吸。 Događa se usađivanje, kada \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), kontaktni ugao na ravnosti. Do usisavanja dolazi kada \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), kontaktni kut na ravnini.Za površine s naknadnim uzorkom, \(r\) i \({\phi}_{s}\) izračunavaju se kao \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) i \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), gdje \(R\) predstavlja radijus stupca, \(H\) predstavlja visinu stupca, a \ ( d\) je udaljenost između središta dva stupa (slika 1a).Za naknadno strukturiranu površinu na sl.1a, kut \({\theta}_{c}\) je 60°, što je veće od ravnine \({\theta}_{0}\) (~25°) u EGaIn bez oksida u HCl pari na Cu/PDMS.Stoga, kapljice EGaIn mogu lako prodrijeti u strukturiranu površinu taloženja bakra na slici 1a zbog apsorpcije.
Kako bismo istražili učinak topografske veličine uzorka na vlaženje i apsorpciju EGaIn-a, mijenjali smo veličinu stupova obloženih bakrom.Na sl.Slika 2 prikazuje kontaktne kutove i apsorpciju EGaIn na ovim podlogama.Razmak l između kolona jednak je promjeru kolona D i kreće se od 25 do 200 μm.Visina od 25 µm je konstantna za sve stupce.\({\theta}_{c}\) smanjuje se s povećanjem veličine stupca (Tablica 1), što znači da je apsorpcija manje vjerojatna na podlogama s većim stupcima.Za sve testirane veličine, \({\theta}_{c}\) je veće od \({\theta}_{0}\) i očekuje se upijanje.Međutim, apsorpcija se rijetko opaža za površine s naknadnim uzorkom s l i D 200 µm (slika 2e).
Vremenski ovisan kontaktni kut EGaIn na površini Cu/PDMS sa stupcima različitih veličina nakon izlaganja parama HCl.b–e Pogled odozgo i sa strane vlaženja EGaIn.b D = l = 25 um, r = 1,78.u D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 um, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Svi stupovi imaju visinu od 25 µm.Ove su slike snimljene najmanje 15 minuta nakon izlaganja parama HCl.Kapljice na EGaIn su voda koja je rezultat reakcije između galijevog oksida i HCl para.Sve ljestvice u (b – e) su 2 mm.
Drugi kriterij za određivanje vjerojatnosti upijanja tekućine je fiksacija tekućine na površini nakon nanošenja uzorka.Kurbin i sur.Zabilježeno je da kada (1) su stupovi dovoljno visoki, površina s uzorkom apsorbira kapljice;(2) udaljenost između stupova je prilično mala;i (3) kontaktni kut tekućine na površini je dovoljno mali42.Numerički \({\theta}_{0}\) tekućine na ravnini koja sadrži isti materijal supstrata mora biti manji od kritičnog kontaktnog kuta za pričvršćivanje, \({\theta}_{c,{pin))} \ ), za upijanje bez pričvršćivanja između stupova, gdje \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (pogledajte dodatnu raspravu za detalje).Vrijednost \({\theta}_{c,{pin}}\) ovisi o veličini igle (Tablica 1).Odredite bezdimenzionalni parametar L = l/H kako biste procijenili postoji li apsorpcija.Za apsorpciju, L mora biti manji od standardnog praga, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Za EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) na bakrenoj podlozi \({L}_{c}\) je 5,2.Budući da je L stupac od 200 μm 8, što je veće od vrijednosti \({L}_{c}\), ne dolazi do apsorpcije EGaIn.Kako bismo dodatno testirali učinak geometrije, promatrali smo samousisavanje različitih H i l (dodatna slika 5 i dopunska tablica 1).Rezultati se dobro slažu s našim izračunima.Stoga se pokazalo da je L učinkovit prediktor apsorpcije;tekući metal prestaje upijati zbog zapinjanja kada je razmak između stupova relativno velik u usporedbi s visinom stupova.
Močljivost se može odrediti na temelju površinskog sastava podloge.Istraživali smo učinak sastava površine na vlaženje i apsorpciju EGaIn-a zajedničkim taloženjem Si i Cu na stupove i ravnine (dodatna slika 6).Kontaktni kut EGaIn smanjuje se od ~160° do ~80° kako se Si/Cu binarna površina povećava od 0 do 75% pri ravnom sadržaju bakra.Za površinu od 75% Cu/25% Si, \({\theta}_{0}\) je ~80°, što odgovara \({L}_{c}\) jednakom 0,43 prema gornjoj definiciji .Budući da su stupci l = H = 25 μm s L jednakim 1 većim od praga \({L}_{c}\), površina od 75% Cu/25% Si nakon uzorkovanja ne apsorbira zbog imobilizacije.Budući da se kontaktni kut EGaIn povećava s dodatkom Si, potreban je viši H ili niži l kako bi se prevladalo pričvršćivanje i impregnacija.Stoga, budući da kontaktni kut (tj. \({\theta}_{0}\)) ovisi o kemijskom sastavu površine, on također može odrediti hoće li doći do upijanja u mikrostrukturi.
Apsorpcija EGaIn na uzorkovanom bakru/PDMS-u može smočiti tekući metal u korisne uzorke.Kako bi se procijenio minimalni broj linija stupaca koji uzrokuju upijanje, svojstva vlaženja EGaIn promatrana su na Cu/PDMS s linijama nakon uzorka koje sadrže različite brojeve linija stupaca od 1 do 101 (Slika 3).Vlaženje se uglavnom događa u regiji nakon uzorkovanja.Propuštanje EGaIn-a pouzdano je promatrano, a duljina protjecanja povećavala se s brojem redaka stupaca.Apsorpcija se gotovo nikada ne događa kada postoje postovi s dva ili manje redaka.To može biti posljedica povećanog kapilarnog tlaka.Da bi se apsorpcija dogodila u obliku stupca, mora se prevladati kapilarni tlak uzrokovan zakrivljenošću glave EGaIn (dopunska slika 7).Uz pretpostavku polumjera zakrivljenosti od 12,5 µm za jednorednu EGaIn glavu sa stupastim uzorkom, kapilarni tlak je ~0,98 atm (~740 Torr).Ovaj visoki Laplaceov tlak može spriječiti vlaženje uzrokovano apsorpcijom EGaIn.Također, manji broj redova stupaca može smanjiti silu apsorpcije koja je posljedica kapilarnog djelovanja između EGaIn i stupaca.
a Kapi EGaIn na strukturiranom Cu/PDMS s uzorcima različitih širina (w) u zraku (prije izlaganja parama HCl).Redovi polica počevši od vrha: 101 (š = 5025 µm), 51 (š = 2525 µm), 21 (š = 1025 µm) i 11 (š = 525 µm).b Usmjereno vlaženje EGaIn na (a) nakon izlaganja parama HCl tijekom 10 minuta.c, d Vlaženje EGaIn na Cu/PDMS sa stupastim strukturama (c) dva reda (w = 75 µm) i (d) jedan red (w = 25 µm).Ove slike su snimljene 10 minuta nakon izlaganja parama HCl.Mjerne trake na (a, b) i (c, d) su 5 mm odnosno 200 µm.Strelice u (c) pokazuju zakrivljenost glave EGaIn zbog apsorpcije.
Apsorpcija EGaIn u Cu/PDMS s naknadnim uzorkom omogućuje stvaranje EGaIn selektivnim vlaženjem (slika 4).Kada se kap EGaIn stavi na područje s uzorkom i izloži parama HCl, kapljica EGaIn se prva skupi, formirajući mali kontaktni kut dok kiselina uklanja kamenac.Nakon toga, apsorpcija počinje od ruba kapi.Uzorak velike površine može se postići pomoću EGaIn centimetarske skale (sl. 4a, c).Budući da se upijanje događa samo na topografskoj površini, EGaIn vlaži samo područje uzorka i gotovo prestaje vlažiti kada dosegne ravnu površinu.Posljedično, uočavaju se oštre granice EGaIn uzoraka (Sl. 4d, e).Na sl.Slika 4b pokazuje kako EGaIn napada nestrukturirano područje, posebno oko mjesta gdje je kapljica EGaIn izvorno postavljena.To je zato što je najmanji promjer kapljica EGaIn korištenih u ovoj studiji premašio širinu slova s ​​uzorkom.Kapi EGaIn-a stavljene su na mjesto uzorka ručnim ubrizgavanjem kroz 27-G iglu i špricu, što je rezultiralo kapljicama minimalne veličine od 1 mm.Ovaj problem se može riješiti korištenjem manjih kapljica EGaIn.Sveukupno, slika 4 pokazuje da se spontano vlaženje EGaIn može inducirati i usmjeriti na mikrostrukturirane površine.U usporedbi s prethodnim radom, ovaj proces vlaženja je relativno brz i nije potrebna vanjska sila za postizanje potpunog vlaženja (dodatna tablica 2).
amblem sveučilišta, slovo b, c u obliku munje.Apsorpcijsko područje prekriveno je nizom stupaca s D = l = 25 µm.d, uvećane slike rebara u e (c).Mjerne trake na (a–c) i (d, e) su 5 mm odnosno 500 µm.Na (c–e), male kapljice na površini nakon adsorpcije pretvaraju se u vodu kao rezultat reakcije između galijevog oksida i HCl para.Nije uočen značajan učinak stvaranja vode na vlaženje.Voda se lako uklanja jednostavnim postupkom sušenja.
Zbog tekuće prirode EGaIn, EGaIn obložen Cu/PDMS (EGaIn/Cu/PDMS) može se koristiti za fleksibilne i rastezljive elektrode.Slika 5a uspoređuje promjene otpora originalnog Cu/PDMS i EGaIn/Cu/PDMS pod različitim opterećenjima.Otpor Cu/PDMS naglo raste u napetosti, dok otpor EGaIn/Cu/PDMS ostaje nizak u napetosti.Na sl.Slike 5b i d prikazuju SEM slike i odgovarajuće EMF podatke neobrađenog Cu/PDMS i EGaIn/Cu/PDMS prije i nakon primjene napona.Za intaktni Cu/PDMS, deformacija može uzrokovati pukotine u tvrdom Cu filmu položenom na PDMS zbog neusklađenosti elastičnosti.Nasuprot tome, za EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn još uvijek dobro oblaže Cu/PDMS supstrat i održava električni kontinuitet bez ikakvih pukotina ili značajnih deformacija čak i nakon naprezanja.EDS podaci potvrdili su da su galij i indij iz EGaIn ravnomjerno raspoređeni na Cu/PDMS podlozi.Važno je napomenuti da je debljina EGaIn filma ista i usporediva s visinom stupova. To je također potvrđeno daljnjom topografskom analizom, gdje je relativna razlika između debljine EGaIn filma i visine stupa <10% (dodatna slika 8 i tablica 3). To je također potvrđeno daljnjom topografskom analizom, gdje je relativna razlika između debljine EGaIn filma i visine stupa <10% (dodatna slika 8 i tablica 3). To se također potvrđuje daljnjom topografskom analizom, gdje odnosna razlika između debljine folije EGaIn i visine stola iznosi <10% (dopunska slika 8 i tablica 3). To je također potvrđeno daljnjom topografskom analizom, gdje je relativna razlika između debljine EGaIn filma i visine stupca <10% (dodatna slika 8 i tablica 3).进一步的形貌分析也证实了这一点，其中EGaIn 薄膜厚度与柱子高度之间的相对差异<10%（补充图8 和表3）。 <10% To je također potvrđeno daljnjom topografskom analizom, gdje je uporedna razlika između debljine folije EGaIn i visine stola iznosila <10% (dopunska slika 8 i tablica 3). To je također potvrđeno daljnjom topografskom analizom, gdje je relativna razlika između debljine EGaIn filma i visine stupca bila <10% (dodatna slika 8 i tablica 3).Ovo vlaženje temeljeno na upijanju omogućuje dobru kontrolu i stabilnost debljine EGaIn premaza na velikim površinama, što je inače izazovno zbog svoje tekuće prirode.Slike 5c i e uspoređuju vodljivost i otpornost na deformaciju originalnog Cu/PDMS i EGaIn/Cu/PDMS.U demonstraciji, LED se uključio kada je spojen na netaknute Cu/PDMS ili EGaIn/Cu/PDMS elektrode.Kada se netaknuti Cu/PDMS rasteže, LED se gasi.Međutim, elektrode EGaIn/Cu/PDMS ostale su električno povezane čak i pod opterećenjem, a LED svjetlo se samo malo prigušilo zbog povećanog otpora elektrode.
a Normalizirani otpor mijenja se s povećanjem opterećenja na Cu/PDMS i EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM slike i analiza energetski disperzivne rendgenske spektroskopije (EDS) prije (gore) i poslije (dolje) polidipleksa unesenih u (b) Cu/PDMS i (d) EGaIn/Cu/metilsiloksan.c, e LED diode pričvršćene na (c) Cu/PDMS i (e) EGaIn/Cu/PDMS prije (gore) i nakon (dolje) rastezanja (~30% naprezanja).Mjerna traka u (b) i (d) je 50 µm.
Na sl.Slika 6a prikazuje otpor EGaIn/Cu/PDMS kao funkciju deformacije od 0% do 70%.Povećanje i obnavljanje otpora proporcionalno je deformaciji, što je u dobrom skladu s Pouilletovim zakonom za nestlačive materijale (R/R0 = (1 + ε)2), gdje je R otpor, R0 početni otpor, ε deformacija 43. Druge studije su pokazale da se, kada se rastegnu, čvrste čestice u tekućem mediju mogu preurediti i postati ravnomjernije raspoređene s boljom kohezijom, čime se smanjuje povećanje otpora 43, 44 . U ovom radu, međutim, vodič je >99% tekućeg metala po volumenu budući da su Cu filmovi debljine samo 100 nm. U ovom radu, međutim, vodič je >99% tekućeg metala po volumenu budući da su Cu filmovi debljine samo 100 nm. Međutim, u ovom radu provodnik se sastoji od >99% tekućeg metala po volumenu, kao što i Cu folije imaju debljinu od samo 100 nm. Međutim, u ovom radu, vodič se sastoji od >99% tekućeg metala po volumenu, budući da su Cu filmovi debljine samo 100 nm.然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99% 的液态金属（按体积计）。然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99%Međutim, u ovom radu, budući da je Cu film debljine samo 100 nm, vodič se sastoji od više od 99% tekućeg metala (po volumenu).Stoga ne očekujemo da će Cu dati značajan doprinos elektromehaničkim svojstvima vodiča.
a Normalizirana promjena otpornosti na EGaIn/Cu/PDMS u odnosu na naprezanje u rasponu 0–70%.Maksimalno naprezanje postignuto prije kvara PDMS-a bilo je 70% (dodatna slika 9).Crvene točke su teorijske vrijednosti predviđene Puetovim zakonom.b EGaIn/Cu/PDMS test stabilnosti vodljivosti tijekom ponovljenih ciklusa istezanja- rastezanja.U cikličkom testu korišten je 30% soj.Mjerilo na umetku je 0,5 cm.L je početna duljina EGaIn/Cu/PDMS prije istezanja.
Mjerni faktor (GF) izražava osjetljivost senzora i definiran je kao omjer promjene otpora prema promjeni deformacije45.GF se povećao s 1,7 pri 10% deformaciji na 2,6 pri 70% deformaciji zbog geometrijske promjene metala.U usporedbi s drugim mjeračima naprezanja, vrijednost GF EGaIn/Cu/PDMS je umjerena.Kao senzor, iako njegov GF možda nije osobito visok, EGaIn/Cu/PDMS pokazuje snažnu promjenu otpora kao odgovor na opterećenje s niskim omjerom signala i šuma.Kako bi se procijenila stabilnost vodljivosti EGaIn/Cu/PDMS, električni otpor je praćen tijekom ponovljenih ciklusa rastezanja- rastezanja pri 30%-tnom naprezanju.Kao što je prikazano na sl.Kao što je prikazano na slici 6b, nakon 4000 ciklusa rastezanja, vrijednost otpora ostala je unutar 10%, što može biti posljedica kontinuiranog stvaranja kamenca tijekom ponovljenih ciklusa istezanja46.Time je potvrđena dugoročna električna stabilnost EGaIn/Cu/PDMS kao rastezljive elektrode i pouzdanost signala kao mjerača naprezanja.
U ovom članku raspravljamo o poboljšanim svojstvima vlaženja GaLM-a na mikrostrukturiranim metalnim površinama uzrokovanim infiltracijom.Spontano potpuno vlaženje EGaIn postignuto je na stupastim i piramidalnim metalnim površinama u prisutnosti HCl para.To se može numerički objasniti na temelju Wenzelovog modela i procesa upijanja, koji pokazuje veličinu post-mikrostrukture potrebne za vlaženje izazvano upijanjem.Spontano i selektivno vlaženje EGaIn-a, vođeno mikrostrukturiranom metalnom površinom, omogućuje nanošenje jednolikih premaza na velike površine i formiranje uzoraka tekućeg metala.Cu/PDMS podloge obložene EGaIn zadržavaju električne veze čak i kada su istegnute i nakon ponovljenih ciklusa istezanja, što je potvrđeno SEM-om, EDS-om i mjerenjima električnog otpora.Osim toga, električni otpor Cu/PDMS-a obloženog EGaIn mijenja se reverzibilno i pouzdano proporcionalno primijenjenom naprezanju, što ukazuje na njegovu potencijalnu primjenu kao senzora naprezanja.Moguće prednosti koje pruža načelo vlaženja tekućim metalom uzrokovano upijanjem su sljedeće: (1) GaLM prevlaka i oblikovanje mogu se postići bez vanjske sile;(2) Vlaženje GaLM na površini mikrostrukture obložene bakrom je termodinamičko.rezultirajući GaLM film je stabilan čak i pod deformacijom;(3) promjenom visine stupca obloženog bakrom može se formirati GaLM film kontrolirane debljine.Osim toga, ovaj pristup smanjuje količinu GaLM-a potrebnu za formiranje filma, budući da stupovi zauzimaju dio filma.Na primjer, kada se uvede niz stupova promjera 200 μm (s razmakom između stupova od 25 μm), volumen GaLM-a potreban za stvaranje filma (~9 μm3/μm2) usporediv je s volumenom filma bez stupovi.(25 µm3/µm2).Međutim, u ovom slučaju mora se uzeti u obzir da se teorijski otpor, procijenjen prema Puetovu zakonu, također povećava devet puta.Sve u svemu, jedinstvena svojstva vlaženja tekućih metala o kojima se govori u ovom članku nude učinkovit način za taloženje tekućih metala na različite podloge za rastezljivu elektroniku i druge nove primjene.
PDMS supstrati pripremljeni su miješanjem matrice Sylgard 184 (Dow Corning, SAD) i učvršćivača u omjerima 10:1 i 15:1 za ispitivanja na rastezanje, nakon čega je uslijedilo stvrdnjavanje u pećnici na 60°C.Bakar ili silicij naneseni su na silicijske pločice (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Republika Koreja) i PDMS supstrate s 10 nm debelim slojem ljepila od titana pomoću prilagođenog sustava raspršivanja.Stupaste i piramidalne strukture talože se na PDMS podlogu korištenjem fotolitografskog postupka silicijske ploče.Širina i visina piramidalnog uzorka su 25 odnosno 18 µm.Visina šipkastog uzorka bila je fiksirana na 25 µm, 10 µm i 1 µm, a njen promjer i uspon varirali su od 25 do 200 µm.
Kontaktni kut EGaIn (galij 75,5%/indij 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) mjeren je analizatorom oblika kapljice (DSA100S, KRUSS, Njemačka). Kontaktni kut EGaIn (galij 75,5%/indij 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) mjeren je analizatorom oblika kapljice (DSA100S, KRUSS, Njemačka). Krajevni ugao EGaIn (galij 75,5 %/indij 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republika Koreja) izmjeren je pomoću kaplevidnog analizatora (DSA100S, KRUSS, Njemačka). Rubni kut EGaIn (galij 75,5%/indij 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) mjeren je pomoću analizatora kapljica (DSA100S, KRUSS, Njemačka). EGaIn（镓75.5%/铟24.5%，>99.99%，Sigma Aldrich，大韩民国）的接触角使用滴形分析仪（DSA100S，KRUSS，德国）测量。 EGaIn (galij75,5%/indij24,5%,>99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) mjeren je pomoću kontaktnog analizatora (DSA100S, KRUSS, Njemačka). Krajevni ugao EGaIn (galij 75,5%/indij 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) izmjeren je pomoću analizatora oblika kapi (DSA100S, KRUSS, Njemačka). Rubni kut EGaIn (galij 75,5%/indij 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) izmjeren je pomoću analizatora oblika kape (DSA100S, KRUSS, Njemačka).Stavite supstrat u staklenu komoru 5 cm × 5 cm × 5 cm i stavite 4–5 μl kapi EGaIn na supstrat pomoću štrcaljke promjera 0,5 mm.Kako bi se stvorio medij HCl pare, 20 μL otopine HCl (37 wt.%, Samchun Chemicals, Republika Koreja) stavljeno je pored supstrata, koji je ispario dovoljno da ispuni komoru unutar 10 s.
Površina je snimljena pomoću SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republika Koreja).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republika Koreja) korišten je za proučavanje elementarne kvalitativne analize i distribucije.Topografija površine EGaIn/Cu/PDMS analizirana je pomoću optičkog profilometra (The Profilm3D, Filmetrics, SAD).
Kako bi se istražila promjena električne vodljivosti tijekom ciklusa istezanja, uzorci sa i bez EGaIn bili su pričvršćeni na opremu za rastezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) i bili su električno spojeni na Keithley 2400 mjerač izvora. Kako bi se istražila promjena električne vodljivosti tijekom ciklusa istezanja, uzorci sa i bez EGaIn bili su pričvršćeni na opremu za rastezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) i bili su električno spojeni na Keithley 2400 mjerač izvora. Za istraživanje izmjene elektroprovodnosti tijekom ciklusa uzorci rastezanja s EGaIn i bez njega su ojačani opremom za rastezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) i električni uključeni u mjerni izvor Keithley 2400. Kako bi se proučila promjena električne vodljivosti tijekom ciklusa rastezanja, uzorci sa i bez EGaIn postavljeni su na opremu za rastezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) i električno povezani s izvornim mjeračem Keithley 2400.Za proučavanje promjene električne vodljivosti tijekom ciklusa istezanja, uzorci sa i bez EGaIn postavljeni su na uređaj za rastezanje (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Republika Koreja) i električno povezani s Keithley 2400 SourceMeter.Mjeri promjenu otpora u rasponu od 0% do 70% naprezanja uzorka.Za test stabilnosti, promjena otpora je izmjerena tijekom 4000 30% ciklusa naprezanja.
Za više informacija o dizajnu studije pogledajte sažetak studije prirode povezan s ovim člankom.
Podaci koji podupiru rezultate ove studije prikazani su u datotekama s dodatnim informacijama i neobrađenim podacima.Ovaj članak daje izvorne podatke.
Daeneke, T. i sur.Tekući metali: Kemijska osnova i primjena.Kemijski.društvo.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Atributi, proizvodnja i primjena čestica tekućeg metala na bazi galija. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Atributi, izrada i primjena čestica tekućeg metala na bazi galija.Lin, Y., Genzer, J. i Dickey, MD Svojstva, proizvodnja i primjena čestica tekućeg metala na bazi galija. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD 镓基液态金属颗粒的属性、制造和应用。 Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MDLin, Y., Genzer, J. i Dickey, MD Svojstva, proizvodnja i primjena čestica tekućeg metala na bazi galija.Napredna znanost.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Prema krugovima meke materije: prototipovi kvazi-tekućih uređaja s karakteristikama memristora. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Prema krugovima potpuno meke materije: prototipovi kvazi-tekućih uređaja s karakteristikama memristora.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD, i Velev, OD Za sklopove koji su u potpunosti sastavljeni od meke tvari: Prototipovi kvazi-tekućih uređaja s karakteristikama memristora. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD 走向全软物质电路：具有忆阻器特性的准液体设备原型。 Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD i Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD, i Velev, OD Prema krugovima, sva meka materija: prototipovi kvazi-tekućinskih uređaja sa svojstvima memristora.Napredna alma mater.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Prekidači od tekućeg metala za ekološki osjetljivu elektroniku. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Prekidači od tekućeg metala za ekološki osjetljivu elektroniku.Bilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Prekidači od tekućeg metala za ekološki prihvatljivu elektroniku. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK 用于环境响应电子产品的液态金属开关。 Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY i Kramer, RKBilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Prekidači od tekućeg metala za ekološki prihvatljivu elektroniku.Napredna alma mater.Sučelje 4, 1600913 (2017).
Dakle, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ispravljanje ionske struje u diodama od meke tvari s elektrodama od tekućeg metala. Dakle, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ispravljanje ionske struje u diodama od meke tvari s elektrodama od tekućeg metala. Tako, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionsko izravnavanje toka u diodama od mekog materijala s elektrodama od tekućeg metala. Stoga, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ispravljanje ionske struje u diodama od mekog materijala s elektrodama od tekućeg metala. Dakle, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD 带液态金属电极的软物质二极管中的离子电流整流。 Dakle, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Tak, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ionsko izravnavanje toka u diodama od mekog materijala s židkometalnim elektrodama. Stoga, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ispravljanje ionske struje u diodama od mekog materijala s elektrodama od tekućeg metala.Proširene mogućnosti.alma mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrikacija za potpuno meke elektroničke uređaje visoke gustoće temeljene na tekućem metalu. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrikacija za potpuno meke elektroničke uređaje visoke gustoće temeljene na tekućem metalu.Kim, M.-G., Brown, DK i Brand, O. Nanofabrikacija za elektroničke uređaje temeljene na mekom metalu visoke gustoće.Kim, M.-G., Brown, DK, i Brand, O. Nanofabrikacija potpuno meke elektronike visoke gustoće na temelju tekućeg metala.Narodna komuna.11, 1–11 (2020).
Guo, R. i sur.Cu-EGaIn je rastezljiva elektronska ljuska za interaktivnu elektroniku i CT lokalizaciju.alma mater.Razina.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidroprintirana elektronika: ultratanka rastezljiva Ag–In–Ga E-koža za bioelektroniku i interakciju čovjeka i stroja. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidroprintirana elektronika: ultratanka rastezljiva Ag–In–Ga E-koža za bioelektroniku i interakciju čovjeka i stroja.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K., i Tawakoli, M. Elektronika hidrotiska: Ag-In-Ga ultratanka rastezljiva elektronička koža za bioelektroniku i interakciju čovjeka i stroja. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. i Tavakoli, M. Hidroprintirana elektronika: ultratanka rastezljiva Ag-In-Ga E-koža za bioelektroniku i interakciju čovjeka i stroja. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. i Tavakoli, M. Hidroprintirana elektronika: ultratanka rastezljiva Ag-In-Ga E-koža za bioelektroniku i interakciju čovjeka i stroja.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K., i Tawakoli, M. Elektronika hidrotiska: Ag-In-Ga ultratanka rastezljiva elektronička koža za bioelektroniku i interakciju čovjeka i stroja.ACS
Yang, Y. i sur.Ultra-natezni i konstruirani triboelektrični nanogeneratori temeljeni na tekućim metalima za nosivu elektroniku.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. i sur.Razvoj mikrokanalnih struktura za senzore prenaprezanja na bazi tekućih metala na sobnoj temperaturi.znanost.Izvješće 9, 1–8 (2019).
Chen, G. i sur.EGaIn superelastična kompozitna vlakna mogu izdržati 500% vlačnog naprezanja i imaju izvrsnu električnu vodljivost za nosivu elektroniku.ACS se odnosi na alma mater.Sučelje 12, 6112-6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Izravno ožičenje eutektičkog galij-indija na metalnu elektrodu za meke senzorske sustave. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Izravno ožičenje eutektičkog galij-indija na metalnu elektrodu za meke senzorske sustave.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. i Bae, J. Izravno vezanje eutektičkog galij-indija na metalne elektrode za meke senzorske sustave. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. i Bae, J. 将共晶镓-铟直接连接到软传感器系统的金属电极。 Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. 就共晶galij-indijeva metalna elektroda izravno pričvršćena na meki senzorski sustav.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. i Bae, J. Izravno vezanje eutektičkog galij-indija na metalne elektrode za meke senzorske sustave.ACS se odnosi na alma mater.Sučelja 11, 20557-20565 (2019).
Yun, G. i sur.Magnetoreološki elastomeri punjeni tekućim metalom s pozitivnom piezoelektričnošću.Narodna komuna.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Visoko osjetljivi i rastezljivi višedimenzionalni mjerači naprezanja s perkolacijskim rešetkama od prednapetih anizotropnih metalnih nanožica.Nanolet.15, 5240-5247 (2015).
Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Univerzalno autonomni samozacjeljujući elastomer s visokom rastezljivošću. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & Zhang, L. Univerzalno autonomni samozacjeljujući elastomer s visokom rastezljivošću.Guo, H., Han, Yu., Zhao, W., Yang, J. i Zhang, L. Svestrani samozacjeljujući elastomer visoke elastičnosti. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. i Zhang, L. 具有高拉伸性的通用自主自愈弹性体。 Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. i Zhang, L.Guo H., Han Yu, Zhao W., Yang J. i Zhang L. Svestrani izvanmrežni samozacjeljujući elastomeri visoke rastezljivosti.Narodna komuna.11, 1–9 (2020).
Zhu X. i sur.Ultravučena metalna vodljiva vlakna koja koriste jezgre od legure tekućeg metala.Proširene mogućnosti.alma mater.23, 2308-2314 (2013).
Khan, J. i sur.Proučavanje elektrokemijskog prešanja tekuće metalne žice.ACS se odnosi na alma mater.Sučelje 12, 31010-31020 (2020).
Lee H. i sur.Sinteriranje kapljica tekućeg metala s bionanovlaknima izazvano isparavanjem za fleksibilnu električnu vodljivost i osjetljivo aktiviranje.Narodna komuna.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD i sur.Eutektički galij-indij (EGaIn): tekuća metalna legura koja se koristi za stvaranje stabilnih struktura u mikrokanalima na sobnoj temperaturi.Proširene mogućnosti.alma mater.18, 1097-1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Meka robotika temeljena na tekućem metalu: materijali, dizajn i primjena. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Meka robotika temeljena na tekućem metalu: materijali, dizajn i primjena.Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Meka robotika temeljena na tekućem metalu: materijali, konstrukcija i primjena. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. 基于液态金属的软机器人：材料、设计和应用。 Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Meki roboti na bazi tekućeg metala: materijali, dizajn i primjena.Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Meki roboti temeljeni na tekućem metalu: materijali, konstrukcija i primjena.Napredna alma mater.tehnologija 4, 1800549 (2019).