導(dǎo)語：轉(zhuǎn)印技術(shù)及柔性電子研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：轉(zhuǎn)印技術(shù)是近年來興起的一種確定性組裝技術(shù)，主要用于將微納米材料按照一定的功能要求組裝成二維或者三維結(jié)構(gòu)，從而制造出各種微納米器件。首先對轉(zhuǎn)印技術(shù)的工藝流程進(jìn)行了介紹，接著對目前已報(bào)道的主要轉(zhuǎn)印方法進(jìn)行了分類，對每種方法轉(zhuǎn)印的功能結(jié)構(gòu)材料、轉(zhuǎn)印時使用的圖章材料、受主基片的材料、功能結(jié)構(gòu)的特征尺寸等進(jìn)行了歸納，然后介紹了轉(zhuǎn)印技術(shù)在柔性電子中的幾個典型應(yīng)用，最后，列舉了幾點(diǎn)轉(zhuǎn)印技術(shù)還有待解決的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)印技術(shù)；圖章；功能結(jié)構(gòu)；施主；受主；柔性電子

轉(zhuǎn)印技術(shù)（Transferprinting）通常是指利用柔性圖章（Stamp），將制作在一種材料基片（施主基片，Donorsub⁃strate）上的功能結(jié)構(gòu)（Ink）有序地轉(zhuǎn)移到另一種材料基片（受主基片，Receiversubstrate）上，從而組裝成各種微納米器件。與很多微納米制造技術(shù)相比，轉(zhuǎn)印技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，轉(zhuǎn)印技術(shù)可以在常溫下進(jìn)行，避免了溫度可能對器件功能帶來的影響。再如，轉(zhuǎn)印技術(shù)兼容性強(qiáng)，可以與很多其他加工技術(shù)相兼容，例如已發(fā)展成熟的半導(dǎo)體技術(shù)，因此無論是簡單的納米線、二維結(jié)構(gòu)，還是復(fù)雜的三維多層結(jié)構(gòu)，都可以利用轉(zhuǎn)印技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移和組裝。美國西北大學(xué)的Rogers教授課題組[1-2]在轉(zhuǎn)印技術(shù)方面做出了最突出的成果。2002年，該課題組[3-5]便提出了一種所謂的納米轉(zhuǎn)印方法（Nanotransferprinting，nTP），可以實(shí)現(xiàn)金屬納米線條的大面積轉(zhuǎn)印，用于制造各種柔性納米器件。2006年，該課題組[6-8]又開創(chuàng)性地提出了一種基于控制圖章與基片之間分離速度的轉(zhuǎn)印方法，該方法操作簡單，很快便得到了廣泛應(yīng)用。由于轉(zhuǎn)印技術(shù)在很多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，尤其在柔性電子領(lǐng)域，目前已成為柔性電子制造的一種最常用的加工方法，因此得到了世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究人員已開發(fā)出了多種不同形式的轉(zhuǎn)印方法，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。本文首先介紹了轉(zhuǎn)印技術(shù)的典型工藝流程，接著對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)印方法進(jìn)行了分類，最后介紹了轉(zhuǎn)印技術(shù)在柔性電子領(lǐng)域中的幾個典型應(yīng)用。

1轉(zhuǎn)印技術(shù)

1.1轉(zhuǎn)印技術(shù)簡介。如圖1所示是轉(zhuǎn)印技術(shù)的一種典型工藝流程。首先，在施主基片表面制作出需要轉(zhuǎn)印的功能結(jié)構(gòu)，將柔性圖章貼合到功能結(jié)構(gòu)表面上（圖1（a））。理論上講，只要功能結(jié)構(gòu)的制造方法與施主基片的材料性質(zhì)相互兼容，功能結(jié)構(gòu)的材料種類、形狀和尺寸等不受限制。材料既可以是常見的各種無機(jī)材料，如硅等無機(jī)半導(dǎo)體材料、金屬等[9-11]，也可以是有機(jī)材料，如功能聚合物、光刻膠等[12-13]；形狀既可以是簡單的單層二維結(jié)構(gòu)[14]，也可以是復(fù)雜的多層三維結(jié)構(gòu)[1]；尺寸既可以是毫米或者厘米級的宏觀尺寸，也可以是納米級的微觀尺寸[15-16]。圖章要求具有良好的柔性，能夠與功能結(jié)構(gòu)形成共形接觸，目前用到的圖章材料包括聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）和各種柔性膠帶等[17-19]。其中，PDMS彈性模量約1MPa[20]，遠(yuǎn)低于常見的各種聚合物材料，在轉(zhuǎn)印技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛。接著，將圖章從施主基片表面剝離（圖1（b）），此時需要確保圖章與功能結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力大于功能結(jié)構(gòu)與施主基片之間的結(jié)合力，功能結(jié)構(gòu)才能夠從施主基片表面轉(zhuǎn)移到圖章表面。然后，將圖章貼合到受主基片表面（圖1（c））。最后，將圖章從受主基片表面剝離（圖1（d）），此時則需要確保圖章與功能結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力小于功能結(jié)構(gòu)與受主基片之間的結(jié)合力。圖1所示的工藝流程看似簡單，但其中不同界面間的黏附與脫黏過程涉及到復(fù)雜的物理、化學(xué)和力學(xué)問題，對柔性圖章與功能結(jié)構(gòu)之間、功能結(jié)構(gòu)與施主和受主基片之間的界面結(jié)合力控制決定了轉(zhuǎn)印過程的成敗。為此，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了各種各樣的轉(zhuǎn)印方法，用于轉(zhuǎn)印不同材料、結(jié)構(gòu)和尺寸的功能結(jié)構(gòu)。1.2轉(zhuǎn)印方法的分類。為了滿足不同的需求，已開發(fā)出了多種轉(zhuǎn)印方法，根據(jù)界面間結(jié)合力的控制策略等對目前已報(bào)道的常用轉(zhuǎn)印方法進(jìn)行了分類，對每種方法轉(zhuǎn)印的功能結(jié)構(gòu)材料、轉(zhuǎn)印時使用的圖章材料、受主基片的材料、功能結(jié)構(gòu)的特征尺寸等進(jìn)行了歸納，如表1所示。（1）控制分離速度法[6，7，17，21-23]。Rogers教授課題組提出通過控制圖章與施主和受主基片之間的分離速度來實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印。功能結(jié)構(gòu)與施主和受主基片之間的界面能量釋放率與分離速度無關(guān)，而由于柔性圖章的粘彈性行為，功能結(jié)構(gòu)與柔性圖章之間的界面能量釋放率與分離速度密切相關(guān)?？偟膩碚f，分離速度越快，功能結(jié)構(gòu)與柔性圖章之間的界面能量釋放率越大。當(dāng)將柔性圖章從施主基片表面剝離時，采用一個較快的分離速度，例如10cm/s，功能結(jié)構(gòu)與柔性圖章之間的界面能量釋放率將大于功能結(jié)構(gòu)與施主基片之間的界面能量釋放率，因此功能結(jié)構(gòu)將被轉(zhuǎn)移到柔性圖章表面；當(dāng)將柔性圖章從受主基片表面剝離時，采用一個較慢的分離速度，例如1mm/s，則功能結(jié)構(gòu)與柔性圖章之間的界面能量釋放率將小于功能結(jié)構(gòu)與受主基片之間的界面能量釋放率，功能結(jié)構(gòu)將被轉(zhuǎn)印到受主基片表面[6]。這種通過控制分離速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)印的方法，操作簡單，因此得到了廣泛應(yīng)用。（2）微結(jié)構(gòu)圖章法[18，24-27]。這種方法所用的圖章表面不是光滑平面，而是加工了特殊設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)。在貼合和剝離圖章的時候，通過控制外部施加力的大小等來控制圖章與功能結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力大小，從而實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印。例如，韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院的Lee等[24]從章魚吸盤的吸放中得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)制作了一種表面帶有微孔陣列結(jié)構(gòu)的PDMS圖章，成功將銦鎵砷（InGaAs）納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到了多種材料的受主基片表面上。（3）表面改性法[3，16，28]。通過對施主基片表面進(jìn)行改性減小功能結(jié)構(gòu)與其之間的結(jié)合力，或者通過對受主基片表面進(jìn)行改性提高功能結(jié)構(gòu)與其之間的結(jié)合力，來幫助實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的有效轉(zhuǎn)印。例如，三星電子公司的Kim等[28]在施主基片上自組裝了一層硅烷類薄膜（octa⁃decyltrichlorosilane，ODTS），這層薄膜使得施主基片的表面能從1140mJ/m2降低到了21mJ/m2，從而減小了功能結(jié)構(gòu)與施主基片之間的結(jié)合力，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印。（4）外部作用輔助法[29-33]。在功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印的過程中，通過施加一些外部作用，比如激光、等離子體、紫外光、熱等，來改變不同界面之間的結(jié)合力，從而達(dá)到轉(zhuǎn)印的目的。例如，韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院的Choi等[33]通過對受主基片進(jìn)行加熱，減小了待轉(zhuǎn)印的聚苯乙烯晶體結(jié)構(gòu)與PDMS印章之間的結(jié)合力，從而實(shí)現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印。（5）膠帶轉(zhuǎn)印法[15，19，34-36]。利用各種性質(zhì)的膠帶作為轉(zhuǎn)印圖章，來實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印。例如，美國伊利諾伊大學(xué)的Xu等[15]利用一種水溶性膠帶作為圖章，首先將功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到水溶性膠帶上，接著將水溶性膠帶貼合到受主基片表面，然后再將受主基片浸泡到水中去除掉水溶性膠帶。再如，中國電子科技大學(xué)的Yan等[19]利用一種熱釋放膠帶作為圖章，通過對膠帶進(jìn)行加熱來控制其與功能結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力，從而達(dá)到轉(zhuǎn)印的目的。（6）犧牲層法[37-40]。先在施主基片表面制備一層犧牲層，然后將功能結(jié)構(gòu)制作在犧牲層表面，最后通過腐蝕犧牲層來實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印。例如，美國伊利諾伊大學(xué)的Kim等[37]先在施主基片表面旋涂一層PMMA犧牲層，然后在PMMA表面制備功能結(jié)構(gòu)，最后利用丙酮降解掉PM⁃MA，實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印。

2轉(zhuǎn)印技術(shù)在柔性電子中的應(yīng)用

柔性電子是指制作在柔性襯底上的各種微納電子器件。柔性電子具有獨(dú)特的柔性和延展性，而且易于批量化、低成本制造，使其在醫(yī)療、信息、能源、國防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。柔性電子的制造方法主要有：噴墨打印[41]、絲網(wǎng)印刷[42]、直寫[43]、卷對卷[44]、納米壓印[45]和轉(zhuǎn)印[6]等，其中轉(zhuǎn)印技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。下面介紹轉(zhuǎn)印技術(shù)在柔性電子中的幾個典型應(yīng)用。柔性可穿戴電子（Flexibleandwearableelectronics）可以實(shí)現(xiàn)人體等的各種物理參數(shù)和生理參數(shù)的測量和傳感，主要應(yīng)用人體的健康監(jiān)測、疾病診斷、軟體機(jī)器人、智能醫(yī)療假體等。Rogers教授課題組[46]利用一種犧牲層轉(zhuǎn)印方法，開發(fā)出了一種腦電極，如圖2（a）所示。首先在硅施主基片表面旋涂一層PMMA犧牲層，在PMMA犧牲層表面制備一層聚酰亞胺薄膜；接著在聚酰亞胺薄膜表面制作出金電極陣列結(jié)構(gòu)，并將一種絲纖蛋白薄膜貼合到金電極陣列表面；然后利用丙酮去除掉PMMA犧牲層，成功地將金電極陣列轉(zhuǎn)印到了絲纖蛋白薄膜表面，完成了整個腦電極的制造。這種絲纖蛋白是一種生物可降解材料，當(dāng)它與腦組織等器官接觸時，會被體液溶解吸收，從而使得腦電極借助毛細(xì)力自發(fā)地共形包裹到腦組織表面。利用這種腦電極，對貓的腦組織信號進(jìn)行了睡眠紡錘波檢測，表現(xiàn)出良好的振幅和信噪比。在腦電極連續(xù)使用4個星期后，皮下沒有出現(xiàn)發(fā)炎等癥狀，證明這種腦電極具有良好的生物兼容性，未來在植入性外科手術(shù)等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。如圖2（b）所示是Rogers教授課題組[47]利用轉(zhuǎn)印技術(shù)制造出的一種多功能表皮電子。表皮電子上的功能結(jié)構(gòu)最初制作在硅施主基片表面上，然后嘗試?yán)脙煞N轉(zhuǎn)印方法均成功地將功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到了皮膚表面，一種是利用PD⁃MS印章進(jìn)行轉(zhuǎn)印，另一種是利用水溶性膠帶進(jìn)行轉(zhuǎn)印。該表皮電子上集成了多種傳感器，包括：溫度傳感器、拉力傳感器和心電/肌電傳感器等，整個厚度只有0.8μm，能夠與皮膚共形接觸，實(shí)時監(jiān)測人體的健康狀況。這種表皮電子具有非常好的拉伸性能，能夠承受高達(dá)30%的應(yīng)變，并且具有較長使用壽命，貼在皮膚上連續(xù)監(jiān)測兩個星期仍能很好地采集到信號，在人體健康監(jiān)測和疾病診斷中具有廣闊應(yīng)用前景。轉(zhuǎn)印技術(shù)近年來也被用于制造各種柔性半導(dǎo)體器件。如圖3（a）所示是Rogers教授課題組[48]利用外部作用輔助轉(zhuǎn)印法制造的一種柔性太陽能電池。首先，在硅施主基片上制作出微型電池陣列結(jié)構(gòu)；接著，將陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到PD⁃MS圖章上；然后，在受主基片聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）表面旋涂一層紫外固化膠，將PDMS圖章貼合到固化膠表面，對固化膠進(jìn)行紫外光照射使其固化；最后，將PDMS圖章從固化膠表面剝離，完成電池的制造。這種柔性太陽能電池具有優(yōu)良的抗彎曲性能，在極小的彎曲曲率半徑下彎曲200次以上，電池的性能沒有明顯變化，為輕薄、柔性光伏設(shè)備的制造提供了可能。如圖3（b）所示是三星電子公司采用復(fù)合轉(zhuǎn)印方法制造出的一種柔性顯示屏。首先，對硅施主基片進(jìn)行改性，在其表面自組裝一種硅烷類薄膜，在薄膜表面旋涂量子點(diǎn)，這層自組裝薄膜會降低量子點(diǎn)與硅基片之間的結(jié)合力。然后，利用控制分離速度轉(zhuǎn)印方法，將量子點(diǎn)轉(zhuǎn)印到柔性的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）/氧化銦錫（ITO）受主基片上，第一次實(shí)現(xiàn)了大面積全彩色柔性量子點(diǎn)顯示屏的制造。這種柔性顯示屏具有320×240的像素分辨率，還能夠承受較大的彎曲變形，為新型大尺寸顯示器、固態(tài)照明設(shè)備的制造提供了新的思路[28]。

3結(jié)束語

轉(zhuǎn)印技術(shù)經(jīng)過近20年的快速發(fā)展，通過與其他的微納米加工技術(shù)不斷融合，轉(zhuǎn)印的方法已越來越豐富，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。但是，還應(yīng)該看到，目前的轉(zhuǎn)印技術(shù)還存在很多問題亟待解決。例如，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)印方法的分辨率還只是停留在微米量級。盡管Rogers教授課題組提出的納米轉(zhuǎn)印方法能夠?qū)崿F(xiàn)納米圖案的轉(zhuǎn)印，然而工藝過程過于復(fù)雜，需要針對不同功能結(jié)構(gòu)圖案在柔性圖章表面加工出不同的復(fù)雜凸起結(jié)構(gòu)。再如，很多轉(zhuǎn)印方法的通用性差，需要針對不同材料的功能結(jié)構(gòu)，對印章、施主或者受主基片表面進(jìn)行不同的處理，處理的方法也往往受到很多限制。又如，大多數(shù)轉(zhuǎn)印方法中功能結(jié)構(gòu)的“轉(zhuǎn)”和“印”的過程還是手工操作，往往會導(dǎo)致器件制備的成品率低、重復(fù)精度差。因此，未來還需要不同學(xué)科之間的交叉合作以及工業(yè)界的積極參與，才能夠快速推進(jìn)轉(zhuǎn)印技術(shù)的發(fā)展、成熟直至走向大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

作者:龐博 胡小光 王澤龍 劉軍山 單位:大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室