Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (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 dugmad Prethodno i Sljedeće da se krećete kroz tri slajda odjednom ili koristite dugmad klizača na kraju da se krećete kroz tri slajda odjednom.
Ovdje demonstriramo spontana i selektivna svojstva vlaženja legura tekućih metala na bazi galijuma na metaliziranim površinama s topografskim karakteristikama mikroskala uzrokovane imbibicijom.Legure tečnih metala na bazi galija su neverovatni materijali sa ogromnom površinskom napetošću.Stoga ih je teško formirati u tanke filmove.Potpuno vlaženje eutektičke legure galija i indija postignuto je na mikrostrukturiranoj površini bakra u prisustvu para HCl, čime je uklonjen prirodni oksid iz legure tekućeg metala.Ovo vlaženje je numerički objašnjeno na osnovu Wenzelovog modela i procesa osmoze, pokazujući da je veličina mikrostrukture kritična za efikasno vlaženje tečnih metala izazvano osmozom.Osim toga, pokazali smo da se spontano vlaženje tekućih metala može selektivno usmjeriti duž mikrostrukturiranih područja na metalnoj površini kako bi se stvorili uzorci.Ovaj jednostavan proces ravnomjerno oblaže i oblikuje tekući metal na velikim površinama bez vanjske sile ili složenog rukovanja.Pokazali smo da podloge s uzorkom od tekućeg metala zadržavaju električne veze čak i kada su istegnute i nakon ponovljenih ciklusa istezanja.
Legure tekućih metala na bazi galija (GaLM) privukle su veliku pažnju zbog svojih atraktivnih svojstava kao što su niska tačka topljenja, visoka električna provodljivost, niska viskoznost i tečnost, niska toksičnost i velika deformabilnost1,2.Čisti galijum ima tačku topljenja od oko 30 °C, a kada se stapa u eutektičke kompozicije sa nekim metalima kao što su In i Sn, tačka topljenja je ispod sobne temperature.Dva važna GaLM-a su eutektička legura galijum indija (EGaIn, 75% Ga i 25% In po težini, tačka topljenja: 15,5 °C) i eutektička legura galijum indij kalaja (GaInSn ili galinstan, 68,5% Ga, 21,5% In % kalaja, tačka topljenja: ~11 °C)1.2.Zbog svoje električne provodljivosti u tečnoj fazi, GaLM-ovi se aktivno istražuju kao vlačni ili deformabilni elektronski putevi za različite primjene, uključujući elektronske3,4,5,6,7,8,9 napregnute ili zakrivljene senzore 10, 11, 12 , 13, 14 i vodi 15, 16, 17. Izrada takvih uređaja taloženjem, štampanjem i oblikovanjem uzoraka iz GaLM-a zahtijeva poznavanje i kontrolu međufaznih svojstava GaLM-a i njegovog temeljnog supstrata.GaLM-ovi 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 galijum oksida na površini GaLM-a u ambijentalnim uslovima obezbeđuje ljusku koja stabilizuje GaLM u ne-sferičnom obliku.Ovo svojstvo omogućava štampanje GaLM-a, implantiranje u mikrokanale i uzorkovanje sa međufaznom stabilnošću koju postižu oksidi19,22,23,24,25,26,27.Oklop od tvrdog oksida takođe omogućava da GaLM prianja na većinu glatkih površina, ali sprečava metale niskog viskoziteta da slobodno teče.Širenje GaLM na većini površina zahtijeva silu da razbije oksidnu ljusku28,29.
Oksidne ljuske se mogu ukloniti, na primjer, jakim kiselinama ili bazama.U nedostatku oksida, GaLM formira kapi na gotovo svim površinama zbog njihove velike površinske napetosti, ali postoje izuzeci: GaLM vlaži metalne podloge.Ga formira metalne veze sa drugim metalima kroz proces poznat kao “reaktivno vlaženje”30,31,32.Ovo reaktivno vlaženje se često ispituje u odsustvu površinskih oksida kako bi se olakšao kontakt metala s metalom.Međutim, čak i sa prirodnim oksidima u GaLM, objavljeno je da se kontakti metal-metal formiraju kada se oksidi razbiju na kontaktima s glatkim metalnim površinama29.Reaktivno vlaženje rezultira malim kontaktnim uglovima i dobrim vlaženjem većine metalnih podloga33,34,35.
Do danas su provedena mnoga istraživanja o korištenju povoljnih svojstava reaktivnog vlaženja GaLM metalima za formiranje GaLM uzorka.Na primjer, GaLM je primijenjen na uzorkovane čvrste metalne tragove razmazivanje, valjanje, prskanje ili maskiranje sjene34, 35, 36, 37, 38. Selektivno vlaženje GaLM-a na tvrdim metalima omogućava GaLM-u da formira stabilne i dobro definirane uzorke.Međutim, visoka površinska napetost GaLM-a ometa stvaranje visoko uniformnih tankih filmova čak i na metalnim podlogama.Da bi se pozabavili ovim problemom, Lacour et al.objavio je metodu za proizvodnju glatkih, ravnih GaLM tankih filmova na velikim površinama isparavanjem čistog galija na pozlaćenim mikrostrukturiranim podlogama37,39.Ova metoda zahtijeva vakuumsko taloženje, koje je vrlo sporo.Osim toga, GaLM općenito nije dopušten za takve uređaje zbog mogućeg krtljenja40.Isparavanje također odlaže materijal na podlogu, tako da je za kreiranje uzorka potreban uzorak.Tražimo način da kreiramo glatke GaLM filmove i uzorke tako što ćemo dizajnirati topografske metalne karakteristike koje GaLM vlaži spontano i selektivno u odsustvu prirodnih oksida.Ovdje izvještavamo o spontanom selektivnom vlaženju EGaIn bez oksida (tipični GaLM) koristeći jedinstveno ponašanje vlaženja na fotolitografski strukturiranim metalnim podlogama.Mi kreiramo fotolitografski definisane površinske strukture na mikro nivou za proučavanje imbibicije, čime kontrolišemo vlaženje tečnih metala bez oksida.Poboljšana svojstva vlaženja EGaIn na mikrostrukturiranim metalnim površinama objašnjena su numeričkom analizom zasnovanom na Wenzel modelu i procesu impregnacije.Konačno, demonstrirali smo taloženje velike površine i uzorkovanje EGaIn-a kroz samoapsorpciju, spontano i selektivno vlaženje na mikrostrukturiranim metalnim površinama za taloženje.Zatezne elektrode i mjerači naprezanja koji sadrže EGaIn strukture predstavljeni su kao potencijalne primjene.
Apsorpcija je kapilarni transport u kojem tečnost prodire u teksturiranu površinu 41, što olakšava širenje tečnosti.Istraživali smo ponašanje EGaIn pri vlaženju na metalnim mikrostrukturiranim površinama deponovanim u parama HCl (slika 1).Bakar je odabran kao metal za podlogu. Na ravnim bakarnim površinama, EGaIn je pokazao nizak kontaktni ugao od <20° u prisustvu HCl para, zbog reaktivnog vlaženja31 (dopunska slika 1). Na ravnim bakarnim površinama, EGaIn je pokazao nizak kontaktni ugao od <20° u prisustvu HCl para, zbog reaktivnog vlaženja31 (dopunska slika 1). Na ploskim mednim povrhnošćima EGaIn pokazao je nizak kraevoj ugao <20 ° u prisutnosti parova HCl iz-za reaktivnog vlažnosti31 (dopunski risunok 1). Na ravnim bakarnim površinama, EGaIn je pokazao nizak kontaktni ugao <20° u prisustvu 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显示出<20°图1).在平坦的铜表面上,由于反应润湿,EGaIn在存在HCl Na ploskim mednim povrhnošćima EGaIn demonstrira nizak kraev uglovi <20 ° u prisustvu parova HCl iz-za reaktivnog vlažnosti (dodatna slika 1). Na ravnim bakarnim površinama, EGaIn pokazuje male kontaktne uglove <20° u prisustvu HCl para zbog reaktivnog vlaženja (dodatna slika 1).Izmjerili smo bliske kontaktne uglove EGaIn na masi bakra i na bakarnim filmovima nanesenim na polidimetilsiloksan (PDMS).
a Stupaste (D (prečnik) = l (udaljenost) = 25 µm, d (udaljenost između stubova) = 50 µm, H (visina) = 25 µm) i piramidalne (širina = 25 µm, visina = 18 µm) mikrostrukture na Cu /PDMS supstrati.b Vremenski zavisne promene kontaktnog ugla na ravnim podlogama (bez mikrostruktura) i nizovima stubova i piramida koji sadrže PDMS presvučen bakrom.c, d Intervalno snimanje (c) pogleda sa strane i (d) pogleda odozgo EGaIn vlaženja na površini sa stubovima u prisustvu HCl para.
Za procjenu utjecaja topografije na vlaženje pripremljene su PDMS podloge sa stupastim i piramidalnim uzorkom na koje je nanijet bakar sa slojem titanijumskog ljepila (sl. 1a).Pokazalo se da je mikrostrukturirana površina PDMS supstrata konformno presvučena bakrom (dopunska slika 2).Vremenski zavisni kontaktni uglovi EGaIn na uzorkovanim i planarnim bakrom raspršenim PDMS (Cu/PDMS) prikazani su na Sl.1b.Kontaktni ugao EGaIn na uzorkovanom bakru/PDMS pada na 0° u roku od ~1 min.Poboljšano vlaženje EGaIn mikrostruktura može se iskoristiti pomoću Wenzelove jednadžbe\({{{{\rm{cos}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), gdje \({\theta}_{{rough}}\) predstavlja kontaktni ugao hrapave površine, \ (r \) Hrapavost površine (= stvarna površina/prividna površina) i kontaktni ugao na ravni \({\theta}_{0}\).Rezultati pojačanog vlaženja EGaIn na uzorkovanim površinama se dobro slažu s Wenzelovim modelom, budući da su r vrijednosti za stražnju i piramidalnu uzorkovanu površinu 1,78 i 1,73, respektivno.To također znači da će kap EGaIn koja se nalazi na površini s uzorkom prodrijeti u žljebove ispod reljefa.Važno je napomenuti da se u ovom slučaju formiraju vrlo ujednačeni ravni filmovi, za razliku od slučaja sa EGaIn na nestrukturiranim površinama (dopunska slika 1).
Od sl.1c,d (Dopunski film 1) može se vidjeti da nakon 30 s, kako se prividni kontaktni kut približava 0°, EGaIn počinje da difundira dalje od ivice kapi, što je uzrokovano apsorpcijom (Dopunski film 2 i Dodatni Slika 3).Prethodne studije ravnih površina povezivale su vremensku skalu reaktivnog vlaženja s prijelazom s inercijalnog na viskozno vlaženje.Veličina terena je jedan od ključnih faktora u određivanju da li će doći do samousisavanja.Poređenjem površinske energije prije i nakon upijanja sa termodinamičke tačke gledišta, izveden je kritični kontaktni ugao \({\theta}_{c}\) imbibicije (pogledajte Dodatnu raspravu za detalje).Rezultat \({\theta}_{c}\) je definisan kao \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) gdje \({\phi}_{s}\) predstavlja razlomljenu površinu na vrhu stupa i \(r\ ) predstavlja hrapavost površine. Imbibicija može nastati kada \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni ugao na ravnoj površini. Imbibicija može nastati kada \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni ugao na ravnoj površini. Upitivanje može da se desi, kada \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), t.e.kontaktnyj ugol na ploskoj površini. Do apsorpcije može doći kada \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), tj. kontaktni ugao 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。 Sve se dešava, kada \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), kontaktni ugao na ploskosti. Do usisavanja dolazi kada \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), kontaktni ugao na ravni.Za površine sa naknadnim uzorkom, \(r\) i \({\phi}_{s}\) se izračunavaju kao \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) i \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), gdje \(R\) predstavlja polumjer kolone, \(H\) predstavlja visinu stuba, a \ ( d\) je rastojanje između centara dva stuba (slika 1a).Za poststrukturiranu površinu na sl.1a, ugao \({\theta}_{c}\) je 60°, što je veće od ravni \({\theta}_{0}\) (~25°) u HCl parama EGaIn bez oksida na Cu/PDMS.Stoga, kapljice EGaIn mogu lako prodrijeti u strukturiranu površinu taloženja bakra na slici 1a zbog apsorpcije.
Da bismo istražili utjecaj topografske veličine uzorka na vlaženje i apsorpciju EGaIn, mijenjali smo veličinu stubova presvučenih bakrom.Na sl.2 prikazuje kontaktne uglove i apsorpciju EGaIn na ovim podlogama.Razmak l između stubova jednak je prečniku stubova D i kreće se od 25 do 200 μm.Visina od 25 µm je konstantna za sve kolone.\({\theta}_{c}\) opada sa povećanjem veličine kolone (Tabela 1), što znači da je apsorpcija manja na podlogama sa većim kolonama.Za sve testirane veličine, \({\theta}_{c}\) je veći od \({\theta}_{0}\) i očekuje se vlaženje.Međutim, apsorpcija se rijetko opaža za površine sa l i D 200 µm nakon uzorka (slika 2e).
a Vremenski ovisan kontaktni ugao EGaIn na površini Cu/PDMS sa kolonama različitih veličina nakon izlaganja HCl parama.b–e Pogled odozgo i sa strane na EGaIn vlaženje.b D = l = 25 µm, r = 1,78.u D = l = 50 μm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Svi stupovi imaju visinu od 25 µm.Ove slike su snimljene najmanje 15 minuta nakon izlaganja HCl parama.Kapljice na EGaIn-u su voda koja nastaje reakcijom između galijevog oksida i HCl para.Sve skale u (b – e) su 2 mm.
Drugi kriterij za određivanje vjerovatnoće apsorpcije tekućine je fiksacija tekućine na površini nakon nanošenja uzorka.Kurbin i dr.Prijavljeno je da kada (1) stupovi budu dovoljno visoki, kapljice će biti apsorbovane površinom sa uzorkom;(2) razmak između stubova je prilično mali;i (3) kontaktni ugao tečnosti na površini je dovoljno mali42.Numerički \({\theta}_{0}\) fluida na ravni koja sadrži isti materijal supstrata mora biti manji od kritičnog kontaktnog ugla za zapinjanje, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), za apsorpciju bez kačenja između stubova, gdje je \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (pogledajte dodatnu diskusiju za detalje).Vrijednost \({\theta}_{c,{pin}}\) zavisi od veličine pinova (tabela 1).Odredite bezdimenzionalni parametar L = l/H da procenite da li dolazi do apsorpcije.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.Pošto je L kolona od 200 μm 8, što je veće od vrijednosti \({L}_{c}\), apsorpcija EGaIn ne dolazi.Da bismo dalje testirali učinak geometrije, uočili smo samousisavanje različitih H i l (dopunska slika 5 i dodatna tabela 1).Rezultati se dobro slažu s našim proračunima.Dakle, L se ispostavlja kao efikasan prediktor apsorpcije;tečni metal prestaje da apsorbira zbog pričvršćivanja kada je razmak između stubova relativno velik u odnosu na visinu stubova.
Vlaženje se može odrediti na osnovu površinskog sastava podloge.Istražili smo učinak površinskog sastava na vlaženje i apsorpciju EGaIn zajedničkim taloženjem Si i Cu na stupove i ravnine (dopunska slika 6).Kontaktni ugao EGaIn opada sa ~160° na ~80° kako se binarna površina Si/Cu povećava od 0 do 75% pri ravnom sadržaju bakra.Za površinu od 75% Cu/25% Si, \({\theta}_{0}\) je ~80°, što odgovara \({L}_{c}\) jednako 0,43 prema gornjoj definiciji .Budući da su stubovi l = H = 25 μm sa L jednakim 1 većim od praga \({L}_{c}\), površina od 75% Cu/25% Si nakon uzorkovanja ne apsorbuje zbog imobilizacije.Pošto se kontaktni ugao EGaIn povećava sa dodatkom Si, potreban je veći H ili manji l da bi se prevazišlo pričvršćivanje i impregnacija.Stoga, pošto kontaktni ugao (tj. \({\theta}_{0}\)) zavisi od hemijskog sastava površine, on takođe može odrediti da li dolazi do imbibicije u mikrostrukturi.
Apsorpcija EGaIn-a na bakru/PDMS-u može navlažiti tečni metal u korisne šare.Kako bi se procijenio minimalni broj linija kolona koje uzrokuju imbibiciju, svojstva vlaženja EGaIn su uočena na Cu/PDMS sa linijama nakon uzorka koje sadrže različite brojeve linija kolone od 1 do 101 (slika 3).Vlaženje se uglavnom dešava u regionu nakon formiranja uzorka.Pouzdano je opaženo EGaIn wicking i dužina wicking se povećava sa brojem redova kolona.Apsorpcija se gotovo nikada ne dešava kada postoje stubovi sa dva ili manje reda.Ovo može biti zbog povećanog kapilarnog pritiska.Da bi se apsorpcija odvijala u stupastom uzorku, mora se savladati kapilarni pritisak uzrokovan zakrivljenošću EGaIn glave (dopunska slika 7).Uz pretpostavku radijusa zakrivljenosti od 12,5 µm za jednorednu EGaIn glavu sa stubastim uzorkom, kapilarni pritisak je ~0,98 atm (~740 Torr).Ovaj visoki Laplaceov pritisak može spriječiti vlaženje uzrokovano apsorpcijom EGaIn.Također, manje redova kolona može smanjiti apsorpcionu silu koja je posljedica kapilarnog djelovanja između EGaIn i kolona.
a Kapi EGaIn na strukturiranom Cu/PDMS sa uzorcima različitih širina (w) u vazduhu (pre izlaganja HCl parama).Redovi regala 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 HCl pari u trajanju od 10 min.c, d Vlaženje EGaIn na Cu/PDMS sa stubastim strukturama (c) dva reda (w = 75 µm) i (d) jedan red (w = 25 µm).Ove slike su snimljene 10 minuta nakon izlaganja HCl parama.Skala na (a, b) i (c, d) su 5 mm i 200 µm, respektivno.Strelice u (c) pokazuju zakrivljenost EGaIn glave zbog apsorpcije.
Apsorpcija EGaIn u Cu/PDMS sa naknadnim uzorkom omogućava da se EGaIn formira selektivnim vlaženjem (slika 4).Kada se kap EGaIn stavi na područje s uzorkom i izloži parama HCl, kap EGaIn se prvo sruši, formirajući mali kontaktni ugao dok kiselina uklanja kamenac.Nakon toga, apsorpcija počinje od ruba kapi.Formiranje velikih površina može se postići pomoću EGaIn-a u centimetarskoj skali (slika 4a, c).Budući da se apsorpcija događa samo na topografskoj površini, EGaIn vlaži samo područje uzorka i gotovo prestaje vlaženje kada dosegne ravnu površinu.Shodno tome, uočene su oštre granice EGaIn obrazaca (slika 4d, e).Na sl.4b pokazuje kako EGaIn napada nestrukturiranu regiju, posebno oko mjesta gdje je EGaIn kapljica prvobitno postavljena.To je zato što je najmanji promjer EGaIn kapljica korištenih u ovoj studiji premašio širinu slova s ​​uzorkom.Kapi EGaIn su stavljene na mjesto uzorka ručnim ubrizgavanjem kroz iglu od 27 G i špric, što je rezultiralo kapima minimalne veličine od 1 mm.Ovaj problem se može riješiti korištenjem manjih EGaIn kapljica.Sve u svemu, slika 4 pokazuje da se spontano vlaženje EGaIn može inducirati i usmjeriti na mikrostrukturirane površine.U poređenju s prethodnim radom, ovaj proces vlaženja je relativno brz i nije potrebna vanjska sila da bi se postiglo potpuno vlaženje (dodatna tabela 2).
amblem univerziteta, slovo b, c u obliku munje.Područje apsorpcije je prekriveno nizom kolona sa D = l = 25 µm.d, uvećane slike rebara u e (c).Skala na (a–c) i (d, e) su 5 mm i 500 µm, respektivno.Na (c–e), male kapljice na površini nakon adsorpcije pretvaraju se u vodu kao rezultat reakcije između galijevog oksida i para HCl.Nije uočen značajan uticaj formiranja vode na vlaženje.Voda se lako uklanja jednostavnim procesom sušenja.
Zbog tečne prirode EGaIn-a, EGaIn obložen Cu/PDMS (EGaIn/Cu/PDMS) može se koristiti za fleksibilne i rastezljive elektrode.Slika 5a upoređuje 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.5b i d prikazuju SEM slike i odgovarajuće EMF podatke sirovog Cu/PDMS i EGaIn/Cu/PDMS prije i poslije primjene napona.Za netaknuti Cu/PDMS, deformacija može uzrokovati pukotine u tvrdom Cu filmu nanesenom na PDMS zbog neusklađenosti elastičnosti.Nasuprot tome, za EGaIn/Cu/PDMS, EGaIn i dalje dobro oblaže Cu/PDMS podlogu i održava električni kontinuitet bez ikakvih pukotina ili značajnih deformacija čak i nakon naprezanja.EDS podaci su potvrdili da su galijum i indijum iz EGaIn ravnomerno raspoređeni na Cu/PDMS supstratu.Važno je napomenuti da je debljina EGaIn filma ista i uporediva sa visinom stubova. To potvrđuje i daljnja topografska analiza, gdje je relativna razlika između debljine EGaIn filma i visine stupa <10% (dopunska slika 8 i tabela 3). To potvrđuje i daljnja topografska analiza, gdje je relativna razlika između debljine EGaIn filma i visine stupa <10% (dopunska slika 8 i tabela 3). Također se potvrđuje daljnja topografska analiza, gdje se odnosi između debljine plenki EGaIn i visine stola čine <10% (dopunska slika 8 i tabela 3). To je također potvrđeno daljnjom topografskom analizom, gdje je relativna razlika između debljine EGaIn filma i visine stupca <10% (dodatna slika 8 i tabela 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度之间的度之间的度之间的8 和表3）。 <10% Ovo je također potvrđeno daljnjim topografskim analizama, gdje je odnosna razlika između debljine EGaIn-a i visine stola sastavljena od <10% (dodatna slika 8 i tabela 3). To je također potvrđeno daljnjom topografskom analizom, gdje je relativna razlika između debljine EGaIn filma i visine stupca bila <10% (dopunska slika 8 i tablica 3).Ovo vlaženje zasnovano na imbibiciji omogućava da se debljina EGaIn premaza dobro kontroliše i održava stabilnom na velikim površinama, što je inače izazovno zbog njegove tečne prirode.Slike 5c i e upoređuju provodljivost 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 rastegne, LED se gasi.Međutim, EGaIn/Cu/PDMS elektrode su ostale električno povezane čak i pod opterećenjem, a LED svjetlo je samo malo prigušilo zbog povećanog otpora elektrode.
a Normalizovani otpor se menja sa povećanjem opterećenja Cu/PDMS i EGaIn/Cu/PDMS.b, d SEM slike i analiza energetski disperzivne rendgenske spektroskopije (EDS) prije (gore) i poslije (dolje) polidipleksa napunjenih 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 poslije (dole) istezanja (~30% naprezanja).Skala u (b) i (d) je 50 µm.
Na sl.6a prikazuje otpornost EGaIn/Cu/PDMS kao funkciju deformacije od 0% do 70%.Povećanje i oporavak otpora proporcionalno je deformaciji, što je u dobrom skladu s Pouilletovim zakonom za nestišljive materijale (R/R0 = (1 + ε)2), gdje je R otpor, R0 početni otpor, ε deformacija 43. Druge studije su pokazale da kada su istegnute, čvrste čestice u tečnom mediju mogu se preurediti i postati ravnomjernije raspoređene uz bolju koheziju, čime se smanjuje povećanje otpora 43, 44 . U ovom radu, međutim, provodnik je >99% tečnog metala po zapremini jer su Cu filmovi debljine samo 100 nm. U ovom radu, međutim, provodnik je >99% tečnog metala po zapremini jer su Cu filmovi debljine samo 100 nm. Međutim, ovaj provodnik se sastoji od >99% tečnog metala po zapremini, kao što je plen Cu ima debljinu od svega 100 nm. Međutim, u ovom radu, provodnik se sastoji od >99% tečnog metala po zapremini, 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，因此导体是，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚, 因此导体是，因此导体是，由于，由于 液态鯞然而,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, provodnik se sastoji od više od 99% tečnog metala (po zapremini).Stoga ne očekujemo da će Cu dati značajan doprinos elektromehaničkim svojstvima provodnika.
a Normalizovana promena otpornosti na EGaIn/Cu/PDMS u odnosu na deformaciju u opsegu 0-70%.Maksimalni napon postignut prije kvara PDMS-a bio je 70% (dodatna slika 9).Crvene tačke su teorijske vrijednosti predviđene Puetovim zakonom.b EGaIn/Cu/PDMS test stabilnosti provodljivosti tokom ponovljenih ciklusa rastezanja i rastezanja.U cikličkom testu korišten je soj od 30%.Skala na umetku je 0,5 cm.L je početna dužina EGaIn/Cu/PDMS prije istezanja.
Faktor mjerenja (GF) izražava osjetljivost senzora i definira se kao omjer promjene otpora prema promjeni deformacije45.GF je povećan sa 1,7 pri 10% deformacije na 2,6 pri 70% deformacije zbog geometrijske promjene metala.U poređenju s drugim mjeračima naprezanja, vrijednost GF EGaIn/Cu/PDMS je umjerena.Kao senzor, iako njegov GF možda nije posebno visok, EGaIn/Cu/PDMS pokazuje robusnu promjenu otpora kao odgovor na nisko opterećenje omjera signala i šuma.Da bi se procijenila stabilnost provodljivosti EGaIn/Cu/PDMS, električni otpor je praćen tokom ponovljenih ciklusa rastezanja i rastezanja pri 30% deformacije.Kao što je prikazano na sl.6b, nakon 4000 ciklusa istezanja, vrijednost otpora je ostala unutar 10%, što može biti posljedica kontinuiranog formiranja kamenca tijekom ponovljenih ciklusa istezanja46.Time je potvrđena dugoročna električna stabilnost EGaIn/Cu/PDMS kao rastezljive elektrode i pouzdanost signala kao merača naprezanja.
U ovom članku raspravljamo o poboljšanim svojstvima vlaženja GaLM-a na mikrostrukturiranim metalnim površinama uzrokovanim infiltracijom.Spontano potpuno vlaženje EGaIn postignuto je na stubastim i piramidalnim metalnim površinama u prisustvu HCl para.Ovo se može objasniti numerički na osnovu Wenzelovog modela i procesa wicking, koji pokazuje veličinu post-mikrostrukture potrebne za vlaženje izazvano wicking.Spontano i selektivno vlaženje EGaIn-a, vođeno mikrostrukturiranom metalnom površinom, omogućava nanošenje uniformnih premaza na velikim površinama i formiranje uzoraka tečnog metala.Cu/PDMS podloge presvučene EGaIn-om zadržavaju električne veze čak i kada su istegnute i nakon ponovljenih ciklusa istezanja, što je potvrđeno SEM, EDS i mjerenjima električnog otpora.Osim toga, električni otpor Cu/PDMS obloženog EGaIn-om mijenja se reverzibilno i pouzdano proporcionalno primijenjenom naprezanju, što ukazuje na njegovu potencijalnu primjenu kao senzor naprezanja.Moguće prednosti koje pruža princip vlaženja tečnog metala uzrokovan upijanjem su sljedeće: (1) GaLM premaz i oblikovanje uzoraka mogu se postići bez vanjske sile;(2) Vlaženje GaLM na površini mikrostrukture presvučene bakrom je termodinamičko.rezultirajući GaLM film je stabilan čak i pod deformacijom;(3) promjenom visine bakrenog stupa može se formirati GaLM film kontrolirane debljine.Osim toga, ovaj pristup smanjuje količinu GaLM potrebnog za formiranje filma, jer stubovi zauzimaju dio filma.Na primjer, kada se uvede niz stubova prečnika 200 μm (sa razmakom između stubova od 25 μm), zapremina GaLM potrebna za formiranje filma (~9 μm3/μm2) je uporediva sa zapreminom filma bez stubovi.(25 µm3/µm2).Međutim, u ovom slučaju se mora uzeti u obzir da se teorijski otpor, procijenjen prema Puetovom zakonu, također povećava devet puta.Sve u svemu, jedinstvena svojstva vlaženja tečnih metala o kojima se govori u ovom članku nude efikasan način odlaganja tečnih metala na različite podloge za rastezljivu elektroniku i druge nove aplikacije.
PDMS supstrati su pripremljeni miješanjem Sylgard 184 matrice (Dow Corning, SAD) i učvršćivača u omjerima 10:1 i 15:1 za testove zatezanja, nakon čega je slijedilo očvršćavanje u pećnici na 60°C.Bakar ili silicijum naneseni su na silikonske pločice (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., Republika Koreja) i PDMS podloge sa 10 nm debelim titanijumskim lepljivim slojem korišćenjem prilagođenog sistema za raspršivanje.Stupaste i piramidalne strukture se nanose na PDMS supstrat korištenjem fotolitografskog procesa silikonske pločice.Širina i visina piramidalnog uzorka su 25 i 18 µm, respektivno.Visina šipke je fiksirana na 25 µm, 10 µm i 1 µm, a njen promjer i korak varirali su od 25 do 200 µm.
Kontaktni ugao EGaIn (galijum 75,5%/indijum 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) meren je pomoću analizatora oblika kapljice (DSA100S, KRUSS, Nemačka). Kontaktni ugao EGaIn (galijum 75,5%/indijum 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) meren je pomoću analizatora oblika kapljice (DSA100S, KRUSS, Nemačka). Kraevoj ugao EGaIn (gallij 75,5 %/indija 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Republika Koreja) izmjerio je pomoću kaplevidnog analizatora (DSA100S, KRUSS, Njemačka). Rubni ugao EGaIn (galijum 75,5%/indijum 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) meren je pomoću analizatora kapljica (DSA100S, KRUSS, Nemačka). EGaIn（镓75,5%/铟24,5%，>99,99%，Sigma Aldrich,大韩民国）的接触角使用滴形分漈DSA10）分弈DSA10，测量。 EGaIn (galijum75,5%/indijum24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, 大韩民国) je mjeren pomoću kontaktnog analizatora (DSA100S, KRUSS, Njemačka). Kraevoj ugao EGaIn (gallij 75,5%/indijski 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) izmjerio je pomoću analizatora oblika kapi (DSA100S, KRUSS, Njemačka). Rubni ugao EGaIn (galijum 75,5%/indijum 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Republika Koreja) meren je pomoću analizatora oblika kapice (DSA100S, KRUSS, Nemačka).Stavite supstrat u staklenu komoru od 5 cm × 5 cm × 5 cm i stavite kap od 4–5 μl EGaIn na supstrat koristeći špric promjera 0,5 mm.Da bi se stvorio HCl parni medijum, 20 μL rastvora HCl (37 tež.%, Samchun Chemicals, Republika Koreja) stavljeno je pored supstrata, koji je isparen dovoljno da napuni komoru u roku od 10 s.
Površina je snimljena pomoću SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republika Koreja).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, Republika Koreja) je korišten za proučavanje elementarne kvalitativne analize i distribucije.Topografija površine EGaIn/Cu/PDMS analizirana je pomoću optičkog profilometra (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
Da bi se istražila promjena električne provodljivosti tokom ciklusa istezanja, uzorci sa i bez EGaIn-a su pričvršćeni na opremu za istezanje (Sistem mašina za savijanje i rastezanje, SnM, Republika Koreja) i električni spojeni na Keithley 2400 izvorni mjerač. Da bi se istražila promjena električne provodljivosti tokom ciklusa istezanja, uzorci sa i bez EGaIn-a su pričvršćeni na opremu za istezanje (Sistem mašina za savijanje i rastezanje, SnM, Republika Koreja) i električni spojeni na Keithley 2400 izvorni mjerač. Za istraživanje izmjene elektroprovodljivosti u vrijeme ciklusa rastave obrazova s ​​EGaIn-om i bez njega se učvršćuju na opremu za rastezanje (Sistem mašina za savijanje i rastezanje, SnM, Republika Koreja) i električki prekidači za izvor izmjera Keithley 2400. Da bi se proučavala promjena električne provodljivosti tokom ciklusa istezanja, uzorci sa i bez EGaIn-a su postavljeni na opremu za istezanje (Bending & Stretchable Machine System, SnM, Republika Koreja) i električni spojeni na Keithley 2400 izvorni mjerač.Da bi se proučavala promjena električne provodljivosti tokom ciklusa istezanja, uzorci sa i bez EGaIn-a su montirani na uređaj za istezanje (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, Republika Koreja) i električno povezani na Keithley 2400 SourceMeter.Mjeri promjenu otpora u rasponu od 0% do 70% deformacije uzorka.Za test stabilnosti, promjena otpora je izmjerena u 4000 ciklusa deformacije od 30%.
Za više informacija o dizajnu studije, pogledajte sažetak studije prirode povezan s ovim člankom.
Podaci koji podržavaju rezultate ove studije predstavljeni su u datotekama s dodatnim informacijama i sirovim podacima.Ovaj članak daje originalne podatke.
Daeneke, T. et al.Tečni metali: hemijska osnova i primena.Hemijski.društvo.47, 4073–4111 (2018).
Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Atributi, proizvodnja i primjena čestica tečnog metala na bazi galijuma. Lin, Y., Genzer, J. & Dickey, MD Atributi, proizvodnja i primjena čestica tečnog metala na bazi galija.Lin, Y., Genzer, J. i Dickey, MD Osobine, proizvodnja i primena čestica tečnog 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 Osobine, proizvodnja i primena čestica tečnog metala na bazi galija.Napredna nauka.7, 2000–192 (2020).
Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD Ka krugovima potpuno meke materije: prototipovi kvazi-tečnih uređaja sa karakteristikama memristora. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD U pravcu kola od potpuno meke materije: prototipovi kvazitečnih uređaja sa karakteristikama memristora.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD, i Velev, OD Za kola sastavljena u potpunosti od meke materije: Prototipovi kvazitečnih uređaja sa 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 sve meke materije: Prototipovi kvazi-fluidnih uređaja sa svojstvima memristora.Napredna alma mater.23, 3559–3564 (2011).
Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Prekidači od tekućeg metala za elektroniku osjetljivu na okoliš. Bilodeau, RA, Zemlyanov, DY & Kramer, RK Prekidači od tekućeg metala za elektroniku osjetljivu na okoliš.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 & Kramer, RKBilodo RA, Zemlyanov D.Yu., Kramer RK Prekidači od tekućeg metala za ekološki prihvatljivu elektroniku.Napredna alma mater.Interfejs 4, 1600913 (2017).
Dakle, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ispravljanje jonske struje u diodama meke materije sa tečnim metalnim elektrodama. Dakle, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ispravljanje jonske struje u diodama meke materije sa tečnim metalnim elektrodama. Tak, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD. Dakle, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ispravljanje jonske struje u diodama od mekog materijala sa elektrodama od tečnog 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. Dakle, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Ispravljanje jonske struje u diodama od mekog materijala sa elektrodama od tečnog metala.Proširene mogućnosti.alma mater.22, 625–631 (2012).
Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrication za potpuno meke elektronske uređaje visoke gustine na bazi tečnog metala. Kim, M.-G., Brown, DK & Brand, O. Nanofabrication za potpuno meke elektronske uređaje visoke gustine na bazi tečnog metala.Kim, M.-G., Brown, DK i Brand, O. Nanofabrication za potpuno meke elektronske uređaje na bazi tečnog metala visoke gustine.Kim, M.-G., Brown, DK, i Brand, O. Nanofabrication of high-density, all-soft electronics based on the current metal.Nacionalna komuna.11, 1–11 (2020).
Guo, R. et al.Cu-EGaIn je proširiva elektronska školjka za interaktivnu elektroniku i CT lokalizaciju.alma mater.Nivo.7. 1845–1853 (2020).
Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidroštampana elektronika: ultratanka rastezljiva Ag–In–Ga E-koža za bioelektroniku i interakciju čoveka i mašine. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidroštampana elektronika: ultratanka rastezljiva Ag–In–Ga E-koža za bioelektroniku i interakciju čoveka i mašine.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K., i Tawakoli, M. Hidroprinterska elektronika: Ag-In-Ga ultratanka rastezljiva elektronska koža za bioelektroniku i interakciju čovjeka i mašine. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidroštampana elektronika: ultratanka rastezljiva Ag-In-Ga E-koža za bioelektroniku i interakciju čoveka i mašine. Lopes, PA, Paisana, H., De Almeida, AT, Majidi, C. & Tavakoli, M. Hidroštampana elektronika: ultratanka rastezljiva Ag-In-Ga E-koža za bioelektroniku i interakciju čoveka i mašine.Lopez, PA, Paysana, H., De Almeida, AT, Majidi, K., i Tawakoli, M. Hidroprinterska elektronika: Ag-In-Ga ultratanka rastezljiva elektronska koža za bioelektroniku i interakciju čovjeka i mašine.ACS
Yang, Y. et al.Ultra-zatezni i konstruisani triboelektrični nanogeneratori na bazi tečnih metala za nosivu elektroniku.SAU Nano 12, 2027–2034 (2018).
Gao, K. et al.Razvoj mikrokanalnih struktura za senzore preopterećenja na bazi tečnih metala na sobnoj temperaturi.nauku.Izvještaj 9, 1–8 (2019).
Chen, G. et al.EGaIn superelastična kompozitna vlakna mogu izdržati 500% vlačne naprezanja i imaju odličnu električnu provodljivost za nosivu elektroniku.ACS se odnosi na alma mater.Interfejs 12, 6112–6118 (2020).
Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direktno ožičenje eutektičkog galij-indija na metalnu elektrodu za meke senzorske sisteme. Kim, S., Oh, J., Jeong, D. & Bae, J. Direktno ožičenje eutektičkog galij-indija na metalnu elektrodu za meke senzorske sisteme.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. i Bae, J. Direktno vezivanje eutektičkog galij-indijuma na metalne elektrode za meke senzorne sisteme. 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galijum-indijum metalna elektroda direktno pričvršćena na sistem mekog senzora.Kim, S., Oh, J., Jeon, D. i Bae, J. Direktno vezivanje eutektičkih galijum-indijumskih elektroda za metalne elektrode za meke senzorske sisteme.ACS se odnosi na alma mater.Interfejsi 11, 20557–20565 (2019).
Yun, G. et al.Magnetorheološki elastomeri punjeni tekućim metalom s pozitivnim piezoelektričnim djelovanjem.Nacionalna komuna.10, 1–9 (2019).
Kim, KK Visoko osjetljivi i rastezljivi višedimenzionalni mjerači naprezanja s perkolacijskim mrežama od prednapregnutih 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. Višenamjenski samozacjeljujući elastomer visoke elastičnosti. Guo, H., Han, Y., Zhao, W., Yang, J. & 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 offline samozarastajući elastomeri visoke čvrstoće.Nacionalna komuna.11, 1–9 (2020).
Zhu X. et al.Ultravučena metalna provodljiva vlakna koja koriste jezgra od legure tečnog metala.Proširene mogućnosti.alma mater.23, 2308–2314 (2013).
Khan, J. et al.Studija elektrohemijskog presovanja žice od tečnog metala.ACS se odnosi na alma mater.Interfejs 12, 31010–31020 (2020).
Lee H. et al.Sinterovanje kapljica tečnog metala izazvano isparavanjem sa bionanovlaknima za fleksibilnu električnu provodljivost i odzivno aktiviranje.Nacionalna komuna.10, 1–9 (2019).
Dickey, MD et al.Eutektički galijum-indijum (EGaIn): legura tečnog metala koja se koristi za formiranje stabilnih struktura u mikrokanalima na sobnoj temperaturi.Proširene mogućnosti.alma mater.18, 1097–1104 (2008).
Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Meka robotika na bazi tečnog metala: materijali, dizajn i primjena. Wang, X., Guo, R. & Liu, J. Meka robotika na bazi tečnog metala: materijali, dizajn i primjena.Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Meka robotika na bazi tečnog metala: 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 tečnog metala: materijali, dizajn i primjena.Wang, X., Guo, R. i Liu, J. Meki roboti na bazi tečnog metala: materijali, konstrukcija i primjena.Napredna alma mater.tehnologija 4, 1800549 (2019).