《AFM》清华大学冯雪马寅佶：液滴印章转移打印

尽管柔性电子在信息、能源和医疗方面的作用越来越重要，但它们与异形接口的集成仍然是一个悬而未决的挑战。传统的转移方式作为器件集成的核心技术，仍然不适用于薄型芯片和3D传感器。固体接触式弹性体印章有时会产生裂纹，而牺牲层法等非接触式方法无法实现精确定位转移。在此，清华大学团队提出了具有高良率的液滴印章转移打印(LSTP)，它可将柔性器件从硅晶片转移到复杂的异形界面。按照转移方案，用不同的薄膜图案可调节界面力。此外，液滴印章被设计为一种有效的工具来转移变薄的无机柔性芯片，以此制造一种广泛应用于柔性电路大规模制造的减薄微型发光二极管。作者还提出了一种利用液滴印模制造3D传感器的方法，为制造可穿戴天线和可重构设备提供了一种新方法。因此，LSTP 在未来复杂和系统级柔性设备转移打印方面具有巨大潜力，并在3D柔性电子学的研究中发挥着至关重要的作用。

液滴印章转移打印工艺

LSTP的运行流程如图1所示。作者使用的薄膜是在硅片上制造的，支撑基板是旋涂聚酰亚胺 (PI, 8.5 μm)。在保持层的顶部是通过PVD、光刻和湿蚀刻等工艺制造的功能材料。亲水橡胶毛细管用作手柄来控制液滴的体积。LSTP的过程包括四个主要步骤：界面力控制、拾取、打印和蒸发。无机柔性薄膜制作完成后，薄膜与硅片紧密贴合。在力控制步骤中，通过调节液体体积来控制转移手柄和薄膜界面之间的接触力。微滴接触薄膜并充当液体印章，在管和薄膜之间形成液桥。然后，随着接触手柄的抬起，薄膜器件逐渐从硅基板上脱离，完成拾取过程。在打印过程中，在软基板的顶部重复力控制过程，以减弱液体印章与薄膜之间的接触力，从而通过范德华力将器件打印到软基板上，少量液滴留在薄膜表面。最后，薄膜在蒸发过程后与软基板牢固接触。

图1，LSTP的传输过程。a) 在硅片上制造的具有微结构的薄膜。b) 通过液滴体积调节界面附着力。c) 在管子和薄膜之间形成液桥。d) 提货过程。e) 减弱界面附着力，将薄膜打印到柔软的基材上。f) 液滴蒸发后残留在薄膜上，柔性薄膜与软质基材紧密接触。

薄型柔性芯片转移打印

作者将减薄后的器件放置在PMDS衬底上作为供体衬底，并在其上进行转移实验和传统方法。发光二极管 (LED) 芯片的厚度为30μm。图4a显示了印章-芯片接口的结构，顶部印章由PDMS制成，并将LED 芯片放置在基板上。在传统工艺中，作者使用印章将 LED 芯片剥离并将其转移到PDMS基板上。接触界面如图4b所示，LED紧紧包裹在弹性印章和 PDMS表面之间。转移后，LED坏了（图4c）。图 4d为液态印章-芯片接口结构图，且LED 成功转移到目标基板上。在蒸发过程之后，该装置紧紧地附着在 PDMS上。设备功能是评价转印成功率的重要指标。LED 照明实验证明器件性能的稳定性和变化性（图4g,h）。

图4，薄型柔性 LED 的转移打印。

液印转移法制作的3D可重构天线

图5展示了天线的异形传递过程。光刻和蚀刻后，在硅片上制作螺旋天线（图5a）。然后使用液体印章将螺旋天线转移到锥面。液态印章的结构如图5b所示，转印结果如图5c所示。天线与锥形表面完美贴合。作者模拟了传输前后天线的谐振频率和辐射模式。在传输前后天线在垂直于中心轴的方向上有很好的实现增益（图5d,e）。该天线在3D结构和平面结构上均具有7.5dB以上的良好性能。同时，带宽窄的特点极大地限制了螺旋天线的应用范围。结果表明，传输后天线带宽增加了74.4%，这对频率可重构天线具有重要意义。随着对 3D天线制造的探索，作者提出了通过 LSTP 方法进行大规模制造的可能性。有了这种方法，就可以使用行业内较为稳定的平面加工方式来制造复杂的3D结构。它不仅节省了资源，而且提供了一种高度可控的制造新方式。此外，该设计还为 3D 柔性电子的研究提供了重要的制造方法。

图5，通过液态印章转移方法制造的 3D 可重构天线。

相关论文以题为Liquid Droplet Stamp Transfer Printing发表在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者是清华大学冯雪副教授，马寅佶助理研究员。