Tính chất cơ bản của kim loại lỏng
Điện trở suất
Điện trở suất là khả năng dẫn điện của vật liệu, trong đó kim loại thường có độ dẫn điện tốt hơn phi kim loại Khi sử dụng kim loại lỏng để in mạch dẻo, giá trị điện trở của dây kim loại lỏng có thể được tính toán bằng một công thức cụ thể.
• ρ là điện trở suất và đối với cùng một vật liệu, ρ là một giá trị cố định;
• L là chiều dài của dây dẫn kim loại lỏng đo được
• A là diện tích mặt cắt ngang
Điện trở của vật liệu tỷ lệ thuận với chiều dài và điện trở suất, đồng thời tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt ngang Mối quan hệ giữa khối lượng và chiều dài cũng cần được xem xét để hiểu rõ hơn về tính chất của vật liệu.
Từ đó, người ta nhận ra được các yếu tố liên quan đến sự thay đổi điện trở
Thể tích của dây dẫn kim loại lỏng không đổi khi V = V0; điện trở suất cũng là được coi là không đổi, ρ = ρ0
Độ biến thiên điện trở của dây dẫn kim loại lỏng có mối quan hệ tuyến tính với bình phương sự thay đổi chiều dài của dây dẫn khi kéo căng Điều này xác nhận mối quan hệ giữa sức đề kháng và độ dài kéo, đồng thời cung cấp cơ sở lý thuyết cho sự phát triển của cảm biến linh hoạt từ kim loại lỏng.
Tuy nhiên, điện trở suất c của kim loại lỏng có mối quan hệ đáng kể với nhiệt độ dẫn nhiệt
Người ta có thể xác định giá trị điện trở tổng của một số dây nối song song bằng Định luật Ôm Trong đó, n là số lượng dây nối song song và Ri là các giá trị điện trở riêng lẻ của từng dây.
Điện trở suất của EGaIn là 29,4 × 10−6 Ω·cm Gozen và cộng sự đã chứng minh rằng các giá trị điện trở đo được và dự đoán cho thấy sự đồng ý cao với số liệu của dây thay đổi Tuy nhiên, có hiện tượng không tuân theo Định luật Ohm, với dòng điện không biến thiên tuyến tính theo điện áp Trong nghiên cứu, đá cẩm thạch kim loại lỏng được phủ bằng WO3 trên nền vàng, tạo thành giao diện điện trên lớp bán dẫn loại n mà không có lớp oxit bản địa trên bề mặt kim loại lỏng Dòng điện ở đây là kết quả của sự kết hợp giữa hạt tải điện tử và lỗ trống, hình thành lớp bán dẫn loại n.
Dòng điện điện áp (I-V) cho thấy hiện tượng Định luật không Ohm với các đường cong I-V tương tự, nhưng khác nhau về lý thuyết Thiết bị điện tử trong nghiên cứu bao gồm giọt gali làm điện cực và lớp hạt nano vàng, tạo thành một tụ điện với quá trình nạp và xả Dưới ngưỡng điện áp, mạch không hoạt động và dòng điện bằng không, nhưng khi điện áp vượt ngưỡng, mạch sẽ bật Dữ liệu cũng chỉ ra mối quan hệ giữa điện trở, điện kháng và tần số Khi tần số thay đổi từ 1 Hz đến 10 kHz, điện trở Ga duy trì ở mức 0,225 Ω, trong khi điện kháng của Ga giảm xuống 0 Ω từ 1 Hz đến 100 Hz và tăng trưởng theo cấp số nhân từ 100 Hz đến 10 kHz, cho thấy tính bất biến của điện trở kim loại lỏng dưới các tần số khác nhau.
A) Các đường cong điện trở và điện kháng từ 1 Hz đến 10 kHz của kim loại lỏng Ga B) ρ (điện trở suất) T (nhiệt độ) và Λ (độ dẫn nhiệt) của kim loại lỏng-
C) Các giá trị điện trở của dòng kim loại lỏng ở năm giá trị góc uốn khác nhauD) Giá trị điện trở của dòng kim loại lỏng ở các góc uốn khác nhau và chu kỳ uốn khác nhau
A) Đồ thị của dòng điện và điện áp đo được của thiết bị điện tử bao gồm một giọt gali và một lớp hạt nano vàng
B)Đồ thị của dòng điện và điện áp đo được của thiết bị điện tử một ga
Tính linh hoạt và vượt trội
Zheng et al đã thực hiện một thử nghiệm để minh họa tính khả thi của kim loại lỏng trong sản xuất mạch dẻo, nghiên cứu ảnh hưởng của uốn cong đến sự ổn định của mạch Kết quả được đo thông qua giá trị điện trở khi uốn dây kim loại lỏng được in ở nhiệt độ −180◦.
Nghiên cứu của Wang et al cho thấy rằng kim loại lỏng có độ ổn định điện trở cao khi uốn ở các góc −90◦, 0◦, 90◦ và 180◦, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong linh kiện điện tử dẻo Các thí nghiệm với màng nhựa PVC in bằng kim loại lỏng cho thấy giá trị điện trở chỉ dao động nhẹ từ 1 đến 1000 chu kỳ sau mỗi 50 lần uốn, chứng tỏ sự ổn định của dòng điện trở Điều này cho thấy rằng khi kéo căng mạch kim loại lỏng, tần số cộng hưởng có thể thay đổi giá trị điện trở Tất cả các thử nghiệm đều chỉ ra rằng dây in kim loại lỏng có độ mềm dẻo đáng tin cậy cho ứng dụng trong điện tử in linh hoạt.
Điều chỉnh độ kết dính
Sự kết dính giữa các phân tử là yếu tố quan trọng trong quá trình in mạch, khi kim loại lỏng được phun ra dưới dạng giọt Khi tiếp xúc với không khí, bề mặt giọt kim loại lỏng hình thành lớp oxit Ga2O3 / Ga2O Nghiên cứu cho thấy rằng, với kích thước giọt kim loại nhỏ hơn, hàm lượng oxit tăng cao, dẫn đến sức căng bề mặt lớn hơn và độ bám dính tốt hơn Zhang et al đã phát triển một phương pháp tổng quát cho điện tử in, cho phép chế tạo mạch điện nhanh chóng trên nhiều loại bề mặt nền khác nhau, từ nhẵn đến thô Hơn nữa, hàm lượng oxit cao trong giọt kim loại cũng làm giảm góc tiếp xúc giữa giọt và chất nền.
Dựa trên phương trình Young – Dupre, người ta có
WSL = γL(1 + cosθ), trong đó WSL là kết quả bám dính của giọt kim loại lỏng, γL là sức căng bề mặt và θ là tiếp điểm góc giữa giọt và chất nền Giọt nhỏ hơn sẽ có γL lớn hơn và θ nhỏ hơn, dẫn đến WSL lớn hơn, thể hiện độ bám dính tốt hơn Để điều chỉnh độ bám dính của mực kim loại lỏng trên chất nền, có thể kiểm soát lớp oxit của nó Một chiến lược khả thi khác là thực hiện sự khử ướt có kiểm soát sau khi lớp kim loại đã đông đặc bằng cách tăng nhẹ nhiệt độ Tuy nhiên, mực hợp kim kim loại lỏng thường có độ bám dính mạnh với hầu hết các chất nền, gây khó khăn trong việc sản xuất các vi mạch chính xác.
Khả năng thấm ướt
Khả năng thấm ướt là khả năng của chất lỏng lan truyền trên bề mặt rắn, với góc tiếp xúc là chỉ số quan trọng thể hiện tính chất này Góc tiếp xúc càng nhỏ thì khả năng thấm ướt càng tốt Góc tiếp xúc động, bao gồm góc trượt và góc tiến lùi, cũng đóng vai trò quan trọng trong việc định lượng tính chất thấm ướt của chất oxy hóa.
Giọt Galinstan có các đặc điểm quan trọng liên quan đến góc tiếp xúc tĩnh, trong đó α là góc trượt, R là bán kính giọt kim loại lỏng, và m là khối lượng của giọt Ngoài ra, θrec là góc tiếp xúc lùi và θadv là góc tiếp xúc tiến, phản ánh hành vi của giọt trong các điều kiện khác nhau.
Giọt kim loại lỏng trên giấy dẹt tẩm HCl có góc tiếp xúc thấp nhất, trong khi giấy in không qua xử lý có góc tiếp xúc lớn nhất Nghiên cứu của Gao và cộng sự đã chỉ ra khả năng thấm ướt tuyệt vời của kim loại lỏng GaIn với mười loại vật liệu nền khác nhau, bao gồm polyvinylclorua, cao su xốp, và ván nhựa epoxy Kramer và cộng sự đã điều tra mối quan hệ giữa địa hình bề mặt vi kết cấu của các viên bi kim loại lỏng và tính chất thấm ướt Doudrick và cộng sự chứng minh rằng bề mặt oxit của hợp kim kim loại lỏng có thể cải thiện khả năng thấm ướt giữa kim loại và chất nền Khi hàm lượng oxy tăng, điện trở suất của hợp kim kim loại lỏng giảm, trong khi độ nhớt và tính thấm ướt tăng Do đó, việc kiểm soát độ dày của lớp oxit có thể nâng cao khả năng thấm ướt của dây kim loại lỏng trên nền mềm, góp phần cải thiện hiệu suất của mạch in linh hoạt.
Hình 4: Tính thấm ướt của kim loại trên từng loại vật liệu khác nhau (A) Polyvinylclorua mịn;
Các nguyên tắc cơ bản và công nghệ chính
Oxy hóa vi mô
Kim loại lỏng thường gặp khó khăn trong việc làm ướt các bề mặt do sức căng bề mặt cao, dẫn đến việc khó đạt được liên kết chặt chẽ với bề mặt mục tiêu (Daeneke và cộng sự, 2018) Khả năng thấm ướt của mực điện tử gốc kim loại lỏng với các vật liệu khác chưa được cải thiện đáng kể, hạn chế giá trị thực tế của loại mực này Tuy nhiên, dựa trên chiến lược oxy hóa vi mô để tăng cường độ bám dính (Gao và cộng sự, 2012), việc thiết kế thiết bị điện tử trên các chất nền khác nhau đã trở nên khả thi chỉ bằng một cây bút hoặc bàn chải thông thường Điều này cho phép ghi trực tiếp các thành phần điện tử trên các bề mặt mục tiêu khác nhau Việc bổ sung oxit đã chứng minh là làm tăng đáng kể năng lượng bề mặt của mực kim loại lỏng, giảm góc tiếp xúc và cải thiện độ bám dính cũng như độ bền bám dính (Gao et al.).
Nghiên cứu của Gao và Liu (2012) đã chỉ ra rằng địa hình bề mặt chất nền ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thấm ướt giữa kim loại lỏng và chất nền Các nghiên cứu sâu hơn từ Kadlaskar và cộng sự (2017) cùng với Kramer và cộng sự (2014) đã cung cấp thông tin chi tiết về mối quan hệ này.
Độ dẫn điện của kim loại lỏng vẫn còn hạn chế, vì vậy khái niệm kim loại lỏng nano đã được đề xuất nhằm nâng cao đặc tính của vật liệu này thông qua các hạt nano (Ma và Liu, 2007a; Liu, 2016) Các nhà nghiên cứu không chỉ sửa đổi quá trình oxy hóa mà còn sử dụng các hạt pha tạp để cải thiện khả năng bám dính và tính lưu động của kim loại lỏng Vật liệu tổng hợp hạt kim loại lỏng cho thấy khả năng thấm ướt tốt đối với chất nền Các hạt kim loại được pha tạp thành công bao gồm Cu, Ag, Fe, Ni, Mg, W, v.v (Tang và cộng sự, 2017; Cao và cộng sự, 2020; Chang và cộng sự, 2018) Hơn nữa, kim loại lỏng có thể được phân tán thành các giọt nano siêu nhỏ, tạo thành vật liệu tổng hợp kim loại-polyme lỏng với polyme (Chen và cộng sự, 2020; Chechetka và cộng sự, 2017).
2018 ;Wang và c ng s , 2018b ), và lo i m c t o ra có tộ ự ạ ự ạ hể được áp dụng linh hoạt cho các ch t n n khác nhau ( Hình 5 B).ấ ề
Các phương pháp xử lý tăng độ ẫn điệ d n
Các giọt kim loại lỏng thường cần các phương pháp xử lý đặc biệt để trở thành dẫn điện, như sử dụng laser (Deng và Cheng, 2019).
Nghiên cứu của Liu và cộng sự (2018a) chỉ ra rằng nhiệt độ thấp (Chen và cộng sự, 2019; Wang và cộng sự, 2019), áp suất cơ học (Boley và cộng sự, 2015; Zhang và cộng sự, 2019a), bay hơi (Li và cộng sự, 2019b), giảm tại chỗ của vỏ bạc (Zheng và cộng sự, 2020) và kéo căng (Thrasher và cộng sự, 2019; Xin và cộng sự, 2019) đều có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình in ấn Với sự phát triển của nhiều loại mực và kỹ thuật in, kim loại lỏng hiện có thể được in thành các chất bán dẫn 2D (Lin và cộng sự).
2019 ) hoặc được áp dụng để tạo trực tiếp bóng bán dẫn và thiết bị chức năng ( Li và cộng sự, 2019a )
Hình 5 Các nguyên tắc cơ bản và công nghệ chính
Bài viết này đề cập đến khả năng kết dính của mực kim loại lỏng trên các vật liệu nền khác nhau, cho thấy khả năng thấm ướt của chúng Hình ảnh minh họa được sử dụng với sự cho phép của Gao et al (2012) và Chechetka et al (2017), cho thấy sự khác biệt giữa kim loại lỏng nguyên chất và mực kim loại lỏng.
Quá trình in 3D các thành phần điện tử sử dụng mực kim loại lỏng đã được nghiên cứu và phát triển Hình ảnh minh họa cho sơ đồ in 3D hỗn hợp của mực kim loại lỏng và vật liệu đóng gói được cung cấp với sự cho phép của Zheng và cộng sự (2013a) Nguyên mẫu phòng thí nghiệm cho máy in 3D kim loại lỏng để bàn cũng đã được điều chỉnh và trình bày, với sự cho phép của Zheng và cộng sự (2013a) Các thành phần điện tử được chế tạo với lớp bao bì thông qua công nghệ in 3D mực kim loại lỏng, minh họa bằng hình ảnh được điều chỉnh từ Zheng và cộng sự (2013a).
Cơ học chất lỏng tổng hợp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp, truyền và kết dính mực kim loại lỏng vào chất nền mục tiêu.
Máy in kim loại lỏng thương mại có khả năng in nhanh chóng các bản vẽ chiếu sáng Hình ảnh trong bài viết được điều chỉnh với sự cho phép của Zheng et al.
Sơ đồ cho các mạch tạo mẫu nhanh dựa trên quá trình in phun nguyên tử hóa các hợp kim kim loại lỏng đã được trình bày Hình ảnh trong nghiên cứu này được điều chỉnh với sự cho phép của Zhang et al (2014).
Kim loài lạ ỏng đã chứng minh khả năng in ấn trên mọi bề mặt thông qua công nghệ in phun nguyên tử hóa, theo nghiên cứu của Zhang et al (2014).
Chế tạo thiết bị điện tử linh hoạt bằng phương pháp chuyển đổi kép cho phép in mạch kim loại lỏng trên màng PVC, sau đó chuyển sang chất nền PDMS thông qua cơ chế chuyển pha đóng băng Hình ảnh được điều chỉnh theo sự cho phép của Wang et al (2015).
In chuyển kim loại lỏng là một bước quan trọng trong việc chế tạo thiết bị điện tử dẻo trên nhiều loại chất nền Nguyên lý và phương pháp của kỹ thuật in SMART, bao gồm in cán và chuyển kim loại bán lỏng, đã được nghiên cứu và phát triển Các hình ảnh trong bài viết được điều chỉnh với sự cho phép của Guo et al (2018a, 2019).
Các phương thức in
Việc hiện thực hóa quá trình sản xuất tệ ệ ự ả ấ ự động hóa quy mô lớn của LMPE là vô cùng cần thiết, do đó, phát minh ra thiết bị in kim loại lỏng một cách hiệu quả có ý nghĩa quan trọng Trong nhiều năm, phòng thí nghiệm hiện tại đã có những nỗ lực lớn trong việc phát triển các phương pháp khả thi để in kim loại lỏng và quản lý thiết bị Năm 2013, một bước tiến lớn đối với LMPE đã được công bố, dẫn đến khái niệm chế tạo thiết bị điện tử cá nhân Bằng cách tạo ra mực kim loại lỏng có độ kết dính cao, phát triển đầu ghim in xốp và cải tiến máy tạo mẫu, họ đã trình diễn máy LMPE để bàn trực tiếp ở nhiệt độ phòng đầu tiên.
Việc kết hợp cao su silicone lưu hóa làm mực cô lập đã cho phép in 3D thiết bị cơ điện hỗn hợp với cấu trúc bao bọc, điều này khác biệt so với các bản in 3D trước đây chỉ tạo ra các vật thể cơ khí mà không tích hợp các tính năng điện tử Kết quả là, các mạch điện và thành phần chức năng như dây dẫn điện, cuộn dây dẫn 3D và ăng ten linh hoạt đã được in thành công Phương pháp sản xuất điện tử này có thể mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau, như đã được chứng minh trong một nghiên cứu gần đây Thêm vào đó, việc giới thiệu cơ chế phân phối chất lỏng hỗn hợp đã dẫn đến sự phát minh của một máy in hoàn toàn tự động và tiết kiệm chi phí để chế tạo thiết bị điện tử cá nhân.
Chiến lược tích hợp vận chuyển chất lỏng trong in ấn kim loại, bao gồm nạp mực và in chuyển, giúp giải quyết vấn đề vận hành mực kim loại lỏng có sức căng bề mặt cao Phương pháp này đảm bảo việc in, chuyển và bám dính đáng tin cậy của mực kim loại lỏng trên chất nền Máy in kim loại lỏng đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, cho phép in các mẫu điện tử như IC, bảng mạch in (PCB) và thiết bị tự làm với độ phân giải cao Tổng chi phí cho máy móc này cũng được tối ưu hóa cho sản xuất thiết bị điện tử cá nhân quy mô lớn Hiện nay, nhiều loại máy in mạch kim loại lỏng đã có mặt trên thị trường và đang được sử dụng phổ biến tại Trung Quốc.
Với sự phát triển thành công trong in điện tử, câu hỏi đặt ra là liệu chúng ta có thể in kim loại lỏng trên bất kỳ bề mặt nào không? Câu trả lời là có! Zhang et al đã đề xuất một phương pháp phổ biến để in kim loại lỏng trên các bề mặt khác nhau thông qua nguyên tắc phun nguyên tử hóa Phương pháp này linh hoạt, có thể chế tạo linh kiện điện tử trên bề mặt phẳng hoặc nhám, từ cấu hình hình học 1-D đến 3-D Mực kim loại lỏng có thể được đọng trực tiếp trên chất nền, tạo mẫu nhanh chóng cho thiết bị điện tử mà không cần oxy hóa trước Việc vi hạt kim loại lỏng nhanh chóng bị oxy hóa trong không khí đã cải thiện đáng kể khả năng kết dính và lắng đọng mực Phát hiện này mở ra khả năng in ấn điện tử trên nhiều chất nền khác nhau, có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện Ngoài ra, phương pháp in lụa cho phép lắng đọng kim loại lỏng qua áp suất cao để tạo ra các mẫu điện tử phức tạp Vật liệu nền phù hợp với LMPE ngày càng đa dạng, bao gồm cả thủy tinh, vải, giấy, da và các vật liệu khác, mở ra tiềm năng cho việc tạo ra thiết bị điện tử mềm từ hydrogel tự phục hồi.
Nhờ vào nỗ lực của một nhóm nghiên cứu nhằm giải quyết các vấn đề cơ bản và đáp ứng nhu cầu thực tế, nhiều phương pháp đã được khám phá để cải thiện LMPE Đặc biệt, một nhóm phương pháp in chuyển giao với hiệu quả sản xuất cao đã được nghiên cứu và trình bày chi tiết (Jiang và cộng sự, 2017, 2020; Ma và cộng sự, 2018; Wang và cộng sự, 2015).
Nghiên cứu của Wu và cộng sự (2018b) và Zhang và cộng sự (2019b) đã chỉ ra rằng in chuyển đổi kép kim loại lỏng là một phương pháp hứa hẹn, với thử nghiệm đầu tiên được thực hiện bởi Wang và cộng sự (2015) Phương pháp này dựa trên cơ chế chuyển pha đóng băng của kim loại lỏng và khả năng chuyển giao của nó, cho phép in trên màng PVC và chuyển sang lớp phủ polydimethylsiloxan (PDMS), giúp cải thiện độ bám dính và tăng tốc quá trình chế tạo mạch linh hoạt Guo và cộng sự (2018a) đã phát triển phương pháp in chuyển kim loại lỏng một bước, cho thấy khả năng hoạt động tốt trên các chất nền có độ thấm ướt yếu, tạo ra các hình dạng dẫn điện phức tạp với hiệu quả truyền tốt và độ ổn định điện cao Phương pháp in SMART được giới thiệu bởi Guo và cộng sự (2019) kết hợp in cuộn và in chuyển giao, cho phép sản xuất nhanh chóng các mẫu điện tử phức tạp với độ phân giải cao chỉ trong vài giây Nghiên cứu cũng đề xuất sử dụng các vật liệu kết dính mới để thực hiện LMPE truyền chọn lọc và chế tạo thiết bị điện tử mềm 3D một cách nhanh chóng và chi phí thấp (Yao et al., 2019; Zhao et al., 2020).
Các công nghệ chủ chốt trong ngành LMPE đã được phát triển và chuyển giao vào thực tiễn, thúc đẩy sự tiến bộ của ngành này Trong tương lai, các công nghệ mới từ LMPE sẽ tiếp tục nổi lên, tạo ra cầu nối giữa phòng thí nghiệm và ngành công nghiệp, góp phần vào quá trình công nghiệp hóa nhanh chóng Sự đột phá về nguyên lý và tích lũy công nghệ trong giai đoạn đầu là điều kiện tiên quyết cho việc ứng dụng thực tế các công cụ tương ứng, đặc biệt trong công nghiệp hóa in kim loại lỏng ở nhiệt độ phòng Những nỗ lực này đã giúp phá vỡ các rào cản trong sản xuất vi mạch điện tử cá nhân, biến ý tưởng thành hiện thực, đặc biệt là cho thiết bị điện tử dẻo Với những thử nghiệm lớn và nền tảng vững chắc, quá trình công nghiệp hóa LMPE đã được kích thích, dẫn đến sự ra đời của nhiều công ty thương mại vào năm 2013 và một số sản phẩm thương mại đã có mặt trên thị trường.
IV Ứng dụng ển h đi ình
Là một vật liệu mực điện tử mới, hợp kim kim loại lỏng có tính linh hoạt và khả năng bảo toàn hình dạng, đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các thiết bị điện tử mềm Với tính không độc hại và tương hợp sinh học, nó trở thành vật liệu lý tưởng cho cấy ghép trong cơ thể, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như khung kim loại có điểm nóng chảy thấp, chụp mạch, vi giọt sinh học, dây thần kinh kết nối, bộ xương ngoài và da điện tử Công nghệ in mạch điện tử kim loại lỏng đang chuyển đổi quy trình sản xuất truyền thống sang sản xuất linh hoạt, cho phép tạo ra các thiết bị điện tử gia dụng với nhiều chức năng Điều này mở ra khả năng cho những sản phẩm như chăn bông thông minh điều chỉnh nhiệt độ theo cơ thể, tất cả đều có thể thực hiện nhờ các mạch dẻo kim loại lỏng, có khả năng in trực tiếp trên nhiều chất nền mềm và tạo ra các tác phẩm nghệ thuật phức tạp.
•Ứng d ng lớn trong l nh v c công ngh sinh h c, công ngh mô ụ ĩ ự ệ ọ ệ mạch điện tử
Công nghệ sinh hệ học đang nghiên cứu để phát triển các mạch điện tử thân thiện với môi trường, trong đó mạch điện tử dựa trên chất lỏng được coi là giải pháp tối ưu Mặc dù một số nhà nghiên cứu đã bắt đầu phát triển các mạch từ dẫn chất lỏng và từ lá, nhưng vẫn cần tập trung hơn vào việc cải tiến các mạch thân thiện với thiên nhiên, vì vật liệu sử dụng đóng vai trò quan trọng Nếu các mạch có thể kết hợp tinh túy sinh học của con người được áp dụng trong chăm sóc lâm sàng, chúng sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới Nhiều người đang mắc các bệnh do thói quen và chế độ ăn uống không hợp lý, và các mạch cấy ghép có thể giúp cải thiện chức năng cơ thể cũng như thay thế các cơ quan bị hư hỏng thông qua phát minh ra mạch nhân tạo.
Công nghệ mạch điện tử dựa trên mô người, như máu và da, có tiềm năng lớn trong việc phát triển cấy ghép Cyborg và giao diện Người máy Những mạch điện tử này kết nối trực tiếp các mô và tế bào thần kinh với thiết bị điện tử, như chân tay robot Động lực học của các hạt nano và ion trong da người, với các lớp biểu bì, trung bì và lớp dưới da, là yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này Các mạch điện tử lỏng và môi trường dẫn chất lỏng đang nổi lên như những giải pháp thân thiện với con người, thay thế cho các mạch trạng thái rắn Marc Simon Wegmueller và nhóm của ông khẳng định rằng cấy ghép trên người có thể duy trì cuộc sống lâu dài nếu được chăm sóc y tế đúng cách Nghiên cứu của Yogesh P Patil cho thấy các hạt nano có ảnh hưởng tích cực đến cơ thể con người và kim loại có thể được cấy ghép hiệu quả Mạch cấy ghép mới có thể phát triển từ các chất lỏng có mật độ khác nhau, tương tự như dịch cơ thể, mở ra khả năng cấy ghép mạch vào người Hệ thống truyền thông không dây dựa trên mô cơ đã chứng minh khả năng truyền dữ liệu thành công qua nhiều kênh.
Hình 7: Điện sinh học trên co thể người được thực hiện hóa bằng kim loại lỏng
•Ứng dụng trong kĩ thuật đóng gói linh hoạt các vi mạch tích hợp(IC) ở trạng thái rắn với các vi chất lỏng(microfluidics) đàn hồi
Một công nghệ linh hoạt mới đã được phát triển để tích hợp thiết bị điện tử thông minh và vi chất lỏng trong một gói chất đàn hồi Công nghệ này sử dụng các kênh vi lỏng để cung cấp mẫu lỏng và kim loại lỏng đến các vi mạch tích hợp (IC), giúp thực hiện kết nối điện với chip IC mà không gặp phải các vấn đề của đóng gói vi mạch truyền thống như wire-bonding và flip-chip bonding Việc kết hợp linh hoạt giữa vi mạch trạng thái rắn và vi lỏng mở ra khả năng cho các hệ thống nhỏ gọn như hệ thống điện tử và lab-on-a-chip, đồng thời mang lại tiềm năng lớn cho các ứng dụng theo dõi sức khỏe đeo được, chẩn đoán tại điểm chăm sóc và cảm biến môi trường Công nghệ điện tử linh hoạt cho phép định vị thiết bị, cảm biến và thiết bị truyền động trên các bề mặt không phẳng, điều mà công nghệ IC trạng thái rắn truyền thống không thể thực hiện.
Sự phát triển của các hệ thống điện tử linh hoạt đã đạt được nhiều tiến bộ trong những năm gần đây, với việc tích hợp các thiết bị vào da người và các cơ quan nội tại, cho phép đo liên tục các thông số như nhiệt độ cơ thể, huyết áp và dữ liệu điện sinh lý Tuy nhiên, các hệ thống hiện tại vẫn chưa đáp ứng được các tiêu chí về hiệu suất cao, tiêu thụ điện năng thấp, chi phí hợp lý và khả năng mở rộng của công nghệ CMOS truyền thống Hơn nữa, các hệ thống này thường dựa vào các phân tử hữu cơ có khả năng mang điện kém hoặc màng bán dẫn vô cơ siêu mỏng, yêu cầu quy trình chế tạo phức tạp Các chip CMOS truyền thống có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tiếp cận các bề mặt không phẳng như cơ thể người và máy bay Do đó, việc phát triển công nghệ đóng gói để tích hợp các thành phần CMOS vào nền tảng linh hoạt và tương thích sinh học có thể mang lại những cải tiến đáng kể cho hiệu suất của các hệ thống điện tử linh hoạt.
Các hệ thống điện tử linh hoạt hiện nay chủ yếu chỉ cung cấp chức năng điện tử và quang điện tử, thiếu khả năng phân tích chất lỏng Điều này dẫn đến việc các hệ thống điện tử sinh học chỉ có thể đo các thông số vật lý như nhiệt độ và áp suất, mà không thể phát hiện các dấu hiệu phân tử sinh học trong chất lỏng cơ thể, điều này rất quan trọng cho chẩn đoán bệnh sớm và theo dõi điều trị Một công nghệ linh hoạt mới cho phép tích hợp cảm biến trạng thái rắn với vi chất lỏng có thể cách mạng hóa các hệ thống điện tử sinh học, mở ra khả năng giám sát dấu ấn sinh học phân tử liên tục trong các thiết bị đeo.
Một thách thức quan trọng trong việc tích hợp linh hoạt vi mạch trình trạng rắn và vi chip lỏng là các bước post-processing và đóng gói phức tạp thường được yêu cầu Tuy nhiên, các kỹ thuật chế tạo liên quan đến truyền thết ống thường không tương thích với chất nền dẻo Đặc biệt, cấu trúc wire-bonding thường được sử dụng trong bao bì.
Cấu trúc ba chiều (3D) của IC trong trạng thái rắn gây khó khăn trong việc tích hợp các thiết bị vi chất lỏng riêng biệt Mặc dù các kỹ thuật đóng gói khác như chip-flop bonding có thể tạo ra bề mặt thiết bị phẳng, nhưng bề mặt hoạt động lại bị chôn trong gói và không thể tiếp cận để tích hợp vi chất lỏng.
Phần tổng kết
Mực in kim loại lỏng cho các thiết bị điện tử linh hoạt mang lại tính linh hoạt và độ dẫn điện vượt trội, cùng với các đặc tính đặc biệt về kim loại và điện từ Điều này mở ra cơ hội lớn cho việc chế tạo thiết bị điện tử trong tương lai Tuy nhiên, vẫn tồn tại những thách thức trong việc chuẩn bị, xử lý và sử dụng mực in hiệu suất cao, như độ bám dính thấp với nhiều chất nền, dễ bị oxy hóa và sức căng bề mặt cao Những vấn đề này hạn chế khả năng tạo ra các mạch ổn định và chính xác Để khắc phục, có thể trộn kim loại lỏng với các vật liệu kim loại hoặc phi kim loại.
Vật liệu kim loại lỏng chức năng lai mới có thể được chế tạo với các đặc tính mong muốn như bán dẫn, bán linh hoạt và khả năng chống oxy hóa, giúp mực thích ứng tốt hơn với các tình huống thực tế Kết tinh nano kim loại lỏng không chỉ cải thiện độ chính xác in mà còn cho phép sửa đổi bề mặt của các hạt nano, ví dụ, thông qua việc kết hợp với chất phát sáng qua liên kết kim loại, tạo ra bản in nhiều màu sắc tự phát sáng.
Cho đến nay, mực kim loại lỏng đã được in trên nhiều loại chất nền mềm như tấm, giấy, vải, da và lá, mở ra cơ hội chế tạo các thành phần điện tử linh hoạt như cảm biến và thiết bị điện tử sinh học đeo được Việc sử dụng các chất nền linh hoạt này làm phong phú thêm ứng dụng của điện tử in dẻo kim loại lỏng, cho phép mở rộng từ con người sang các sinh vật khác như động vật và thực vật Ví dụ, có thể in các mạch linh hoạt với tính năng thu năng lượng và phát xạ ánh sáng trên lá để tận dụng năng lượng tự nhiên.
Nhiều loại công nghệ in kim loại lỏng đang cho phép chế tạo mạch hiệu quả, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề công nghệ cần giải quyết, như kết nối chính xác giữa các mạch kim loại lỏng và mạch tích hợp truyền thống Việc in với độ chính xác cao là rất quan trọng để đạt được các mạch tích hợp kim loại lỏng Kết hợp in linh hoạt, in phẳng và in 3D là các phương pháp đáng thử nghiệm Ngoài ra, việc làm mát các mạch kim loại lỏng phức tạp cần giám sát cẩn thận để tránh hư hỏng do “rào cản nhiệt” Đóng gói là yếu tố cần thiết để tạo ra thiết bị cho người dùng cuối, với tuổi thọ của thiết bị điện tử kim loại lỏng phụ thuộc vào công nghệ đóng gói, thường sử dụng PDMS cho các mạch dẻo Đối với các chất nền khác nhau, cần xem xét các công nghệ đóng gói đa dạng để đảm bảo an toàn và đạt được chức năng mong muốn, đặc biệt trong ứng dụng sinh vật, nơi tính không độc của vật liệu đóng gói rất quan trọng Cuối cùng, sự chuyển động và thay đổi hình dạng của kim loại lỏng dưới điện trường có thể tạo ra các mạch điện độc đáo, tự động thay đổi hoặc tự hủy hoại, xứng đáng để nghiên cứu thêm.
Thiết bị điện tử in dẻo kim loại lỏng vượt qua các hạn chế của điện tử dẻo truyền thống, với quy trình sản xuất đơn giản, nhanh chóng và ổn định, tương thích tốt với công nghệ mạch tích hợp hiện có Công nghệ này cho phép tạo ra các sản phẩm chất lượng cao như thiết bị điện tử sinh học đeo được, da điện tử, cấy ghép y tế, màn hình linh hoạt và tấm pin mặt trời, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng Mặc dù công nghệ in linh hoạt bằng kim loại lỏng kết hợp giữa mạch mềm và linh kiện cứng, nó vẫn không hoàn toàn linh hoạt theo nghĩa rộng hơn, điều này có thể hạn chế một phần ứng dụng của nó Ý nghĩa cốt lõi của thiết bị điện tử in dẻo kim loại lỏng nằm ở sự phổ biến của công nghệ in kim loại lỏng.