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一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法

1.本发明属于微纳米加工及柔性电子技术领域，具体涉及一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法。
技术背景
2.柔性电子技术，是指有机/无机材料电子器件集成于柔性基体上，使之具备适应拉伸、弯曲、扭转等较大变形和契合复杂工作表面的能力，在能源、信息、医疗等领域都有着十分广泛的应用，如柔性电子显示、柔性太阳能电池、柔性电子皮肤等。转印是柔性电子常见制备技术，主要包括转移(拾取)和印刷(放置)两过程。转移阶段，利用印章将电子器件从供体(制造)基体上提起，此时要求印章/电子器件界面的界面粘性强；印刷阶段，将电子器件与印章脱离并集成在受体(应用)基体上，此时要求印章/电子器件界面粘性弱。因此，转印要求按需可控完成界面脱粘，涉及印章/电子器件界面粘性强弱转换，操作难度较大，且较难同时适用于厚的电子器件(刚性不变形)和薄的电子器件(柔性易变形)以及任意曲面转印。目前，如何减小转印难度，适用于不同厚度电子器件和任意曲面受体已成为柔性电子技术研究的重点和难点。现有的研究方法包括：接触式干法转印：利用弹性印章与电子器件接触调控界面粘性，但易引入残余应力导致电子器件损伤，多应用于厚的刚性电子器件；牺牲层转印：利用牺牲层加强电子器件刚度和可操作性，但溶解牺牲层需时较长，且易引入热变形；湿法转印：利用液膜和液滴转印，易引起残余物质和定位困难，且液滴转印需形成液桥，仅适用于厚的刚性电子器件。可以看出，现有的大多数转印方法仅适用于厚的刚性电子器件，转印时多依赖界面粘性强弱转换，不利于转印至超低界面粘性基体，印章/电子器件的强接触不利于三维电子器件、多层和任意曲面转印，且弹性印章不透明，不利于器件精准定位。

技术实现要素：

3.本发明针对上述问题提出了一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，包括中空毛细管、环状结构、疏水棒、表面活性液泡、表面活性液膜、厚的和刚性的电子器件、薄的和柔性的电子器件、供体、任意曲面和任意界面粘性的受体。本方法可实现厚的(亚毫米和微米级)和刚性的电子器件转印，也可实现薄的(亚微米级和纳米级)和柔性的电子器件转印，在印制过程中不需要传统接触式转印的界面强弱粘性转换策略，可印刷至超低界面粘性基体；无须引入预压力，对电子器件和受体基体均无伤害，可方便转印至敏感不可压表面；无须形成紧密接触面，有利于转印三维电子器件；转印介质体积可控，可适用于紧凑空间小尺寸转印，也可适用于超大幅面转印；引入压强使印章多样性变形，适用于任意复杂曲面转印；转印过程透明清晰，所见即所得，有利于精准定位；整体工艺简单，可操控性强，工艺通用性好，适用于众多转印材料和基体材料。
4.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
5.一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，包括以下步骤：
6.(1)将中空毛细管/环状结构蘸取表面活性液体后，与供体上的电子器件对齐，向中空毛细管/环状结构中吹入气体形成压强后，生成表面活性液泡或向下变形的表面活性液膜；
7.(2)利用表面活性液泡或向下变形的表面活性液膜与电子器件共形接触并形成一定接触面积后，向上提起中空毛细管/环状结构，带动电子器件与供体基体脱离。
8.(3)移动中空毛细管/环状结构，将附着于表面活性液泡/表面活性液膜的电子器件与受体基体对齐，控制表面活性液泡/表面活性液膜所受气体压强，使电子器件与受体基体共形接触并形成超过电子器件大小的接触面积，人为破坏表面活性液泡/表面活性液膜，使电子器件集成于受体基体上，完成转印过程。
9.进一步特征，所述的电子器件是厚的刚性的电子器件，或薄的柔性的电子器件；所述的厚的刚性的电子器件是指亚毫米和微米量级的电子器件，所述的薄的柔性的电子器件是指亚微米和纳米量级的电子器件。
10.进一步特征，所述的转印介质为具有粘性和表面张力性质的表面活性液体形成的表面活性液泡和表面活性液膜，厚度低至亚微米和纳米量级，转印完成后残留物少，电子器件与受体紧密贴合，可形成原位测量效果；表面活性液泡/表面活性液膜透明使得转印清晰，所见即所得，实现精准定位。
11.进一步特征，所述的表面活性液体为肥皂液。
12.进一步特征，步骤(3)中，所述的操作方式可为控制表面活性液泡所受气体压强，调整表面活性液泡体积大小，可有效抑制转移过程中的电子器件倾斜和印刷过程中的电子器件翻转。
13.进一步特征，步骤(3)中，所述的操作方式可为控制表面活性液膜所受气体压强(压强大小、压强距表面活性液膜的间距、压强距表面活性液膜中心的距离)，使表面活性液膜非均匀多样化变形，使电子器件与受体基体接触，适用于任意复杂曲面印刷。
14.进一步特征，步骤(3)中，人为破坏液膜可以选择的方式之一是使用疏水性材料或尺寸在2mm以上的常规材料接触表面活性液泡/表面活性液膜。
15.进一步特征，所述的中空毛细管/环状结构的截面或形貌优选为电子器件的形貌特征并可适当缩放，可在转印过程中达到电子器件自对齐自修正的效果，有效提高对准精度。
16.本发明可实现厚的(亚毫米和微米级)刚性电子器件和薄的(亚微米和纳米级)柔性电子器件转印，在印刷过程中不需要传统转印的强弱黏附转换策略，可将电子器件转印至超低界面粘性的任意复杂曲面；无须引入预压力且接触应力较小，对受体基体和电子器件薄膜无伤害，可将电子器件无损或低损转印至不能承载的受体表面；应用于纳米级超薄电子器件时，可支持大幅面电子器件转印；肥皂泡可自由贴合复杂曲面和斜面，适应于将电子器件转印至非均匀曲率曲面和倾斜表面，实现多样性转印；转印过程透明清晰，所见即所得，有利于精准定位；整体工艺简单；工艺通用性好，适应于众多转印材料和基体材料。粘性液体形成的液膜残余物不会影响电子器件电磁性能和造成器件性能下降。
附图说明
17.图1是厚的和刚性的电子器件在供体基体上示意图；
18.图2是薄的和柔性的电子器件在供体基体上示意图；
19.图3是利用中空毛细管生成表面活性液泡将厚的和刚性的电子器件由供体基体上提起示意图，此时厚的和刚性的电子器件不变形，表面活性液泡呈外凸液桥形貌；
20.图4是利用中空毛细管生成表面活性液泡将薄的和柔性的电子器件由供体基体上提起示意图，此时薄的和柔性的电子器件随表面活性液泡共形变形；
21.图5是下移中空毛细管使表面活性液泡和电子器件与受体共形接触，并使用疏水棒接触并破坏表面活性液泡，成功将电子器件转印至受体基体的示意图，此时电子器件可以为厚的和刚性的电子器件也可以为薄的和柔性的电子器件；
22.图6是厚的和刚性的电子器件被转印至受体基体示意图；
23.图7是薄的和柔性的电子器件被转印至受体基体示意图；
24.图8是利用表面活性液泡将厚的和刚性的电子器件自供体基体上提起示意图，此时表面活性液泡体积小，厚的和刚性的电子器件不发生变形，但发生刚体旋转倾斜；
25.图9是利用表面活性液泡将薄的和柔性的电子器件自供体基体上提起示意图，此时表面活性液泡体积小，薄的和柔性的电子器件贴合表面活性液泡向一侧滑移产生倾斜；
26.图10是利用表面活性液泡将厚的和刚性的电子器件自供体基体上提起示意图，随着表面活性液泡体积的增大，厚的和刚性的电子器件逐渐从倾斜状态调整为水平状态；
27.图11是利用表面活性液泡将薄的和柔性的电子器件自供体基体上提起示意图，随着表面活性液泡体积的增大，薄的和柔性的电子器件逐渐从倾斜状态变为居中对称并贴合表面变形状态；
28.图12是利用表面活性液泡将厚的和刚性的电子器件放置在受体基体上示意图，此时表面活性液泡体积小，厚的和刚性的电子器件在接触受体基体时发生翻转变形；
29.图13是利用表面活性液泡将薄的和柔性的电子器件放置在受体基体上示意图，此时表面活性液泡体积小，薄的和柔性的电子器件在接触受体基体时发生局部翻转变形；
30.图14是利用表面活性液泡将厚的和刚性的电子器件放置在受体基体上示意图，此时表面活性液泡体积与受体基体接触面积远超过电子器件尺寸，厚的和刚性的电子器件以一种展平无褶皱的状态集成于受体基体上；
31.图15是利用表面活性液泡将薄的和柔性的电子器件放置在受体基体上示意图，此时表面活性液泡体积与受体基体接触面积远超过电子器件尺寸，薄的和柔性的电子器件以一种展平无褶皱的状态集成于受体基体上；
32.图16是将中空毛细管、环状结构中的表面活性液膜与供体基体上的厚的和刚性的电子器件对齐示意图；
33.图17是将中空毛细管、环状结构中的表面活性液膜与供体基体上的薄的和柔性的电子器件对齐示意图；
34.图18是通过中空毛细管对表面活性液膜施加压强使表面活性液膜变形并与供体基体上厚的和刚性的电子器件接触示意图，此时表面活性液膜呈现外凸液桥形貌；
35.图19是通过中空毛细管对表面活性液膜施加压强使表面活性液膜变形并与供体基体上薄的和柔性的电子器件接触示意图，此时电子器件与表面活性液膜共形变形；
36.图20是利用表面活性液膜成功将厚的和刚性的电子器件自供体基体上提起示意图，此时厚的和刚性的电子器件附着于恢复水平形貌的表面活性液膜上；
37.图21是利用表面活性液膜成功将薄的和柔性的电子器件自供体基体上提起示意图，此时薄的和柔性的电子器件附着于恢复水平形貌的表面活性液膜上；
38.图22是移动中空毛细管、环状结构、表面活性液膜、厚的和刚性的电子器件与受体基体对齐示意图；
39.图23是移动中空毛细管、环状结构、表面活性液膜、薄的和柔性的电子器件与受体基体对齐示意图；
40.图24是通过中空毛细管对表面活性液膜施加压强使表面活性液膜变形，促使厚的和刚性的电子器件与受体基体接触示意图，此时表面活性液膜与受体基体产生远超电子器件尺寸的接触面积；
41.图25是通过中空毛细管对表面活性液膜施加压强使表面活性液膜变形，促使薄的和柔性的电子器件与受体基体接触示意图，此时表面活性液膜与受体基体产生远超电子器件尺寸的接触面积；
42.图26是利用疏水棒戳破表面活性液膜，使厚的和刚性的电子器件集成于受体基体示意图；
43.图27是利用疏水棒戳破表面活性液膜，使薄的和柔性的电子器件集成于受体基体示意图；
44.图28是利用中空毛细管提起错位电子器件示意图，此时介质可以为表面活性液泡或表面活性液膜，方形电子器件可以为厚的和刚性的电子器件或薄的和柔性的电子器件，中空毛细管采用与电子器件一样的截面形貌，可以为方形，也可以为其他形貌，中空毛细管截面可以小于(左)、等于(中)或大于(右)电子器件的截面；
45.图29是利用中空毛细管提起电子器件后电子器件自修正自对齐示意图，此时表面能驱动电子器件自动对齐于中空毛细管；
46.图30是将薄的和柔性的电子器件转印至平面受体基体上示意图；
47.图31是将薄的和柔性的电子器件转印至倾斜的平面受体基体上示意图；
48.图32是将薄的和柔性的电子器件转印至具有微结构表面的受体基体(海绵)上示意图；
49.图33是将薄的和柔性的电子器件多层转印至平面受体基体上示意图；
50.图34是将薄的和柔性的电子器件和厚的和刚性的电子器件依次多层转印至平面受体基体上示意图；
51.图35是利用表面活性液泡将厚的和刚性的电子器件和薄的和柔性的电子器件集成于具有突起表面的超低界面粘性的受体基体上示意图；
52.图中：1厚的和刚性的电子器件，2供体基体，3薄的和柔性的电子器件，4中空毛细管，5表面活性液泡，6疏水棒，7受体基体，8环状结构，9表面活性液膜
具体实施方式
53.以下结合技术方案和附图进一步说明本发明的实施方式。
54.实施例1：一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法
55.(1)将如图1所示的厚的和刚性的电子器件和如图2所示的薄的和柔性的电子器件置于供体基体上；
56.(2)利用中空毛细管蘸取表面活性液并生成表面活性液泡，利用表面活性液泡与如图3所示的厚的和刚性的电子器件和如图4所示的薄的和柔性的电子器件接触并形成一定的接触面积，向上提起中空毛细管，带动电子器件以液桥或共形变形的方式自供体基体上提起，使电子器件与供体基体脱离；
57.(3)移动中空毛细管带动表面活性液泡和电子器件与受体基体对齐，向下移动中空毛细管，如图5所示将表面活性液泡和电子器件与受体基体共形接触，并使表面活性液泡与受体基体接触面积超过电子器件大小后，使用疏水棒人为破坏表面活性液泡，使如图6所示的厚的和刚性的电子器件和如图7所示的薄的和柔性的电子器件集成于受体基体上。
58.如图8所示，图8是本技术实例提供的一种将厚的和刚性的电子器件自供体基体上拾取的效果图。此时表面活性液泡体积小，厚的和刚性的电子器件不能如图3所示以水平状态存在，而是以倾斜状态存在。如图10所示，继续增大表面活性液泡体积时，厚的和刚性的电子器件逐渐回复至水平状态，方便对齐转印。
59.如图9所示，图9是本技术实例提供的一种将薄的和柔性的电子器件自供体基体上拾取的效果图。此时表面活性液泡体积小，薄的和柔性的电子器件不能如图4所示居中对齐，而是以倾斜状态在表面活性液泡一侧存在。如图11所示，继续增大表面活性液泡体积时，薄的和柔性的电子器件逐渐回复至居中对齐状态，方便对齐转印。
60.如图12所示，图12是本技术实例提供的一种将厚的和刚性的电子器件印刷至受体基体上的效果图。此时表面活性液泡体积小，厚的和刚性的电子器件不能如图5所示的与受体基体贴合，而是突然翻转。如图14所示，在接触受体基体时，采用大体积的表面活性液泡，可有效抑制厚的和刚性的电子器件翻转。
61.如图13所示，图13是本技术实例提供的一种将薄的和柔性的电子器件印刷至受体基体上的效果图。此时表面活性液泡体积小，薄的和柔性的电子器件不能如图5所示的与受体基体贴合，而是局部与受体基体贴合、局部发生翻转变形。如图15所示，在接触受体基体时，采用大体积的表面活性液泡，可有效抑制薄的和柔性的电子器件局部翻转。
62.实施例2：一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法
63.(1)将中空毛细管和环状结构中生成的表面活性液膜与如图16所示的厚的和刚性的电子器件和如图17所示的薄的和柔性的电子器件对齐；
64.(2)利用中空毛细管吹气使表面活性液膜变形，将如图18所示的厚的和刚性的电子器件和如图19所示的薄的和柔性的电子器件以液桥和共形变形的方式自供体基体上提起；
65.(3)如图20所示的厚的和刚性的电子器件和如图21所示的薄的的电子器件以展平无褶皱的状态附着在表面活性液膜上；
66.(4)将附着在表面活性液膜上的如图22所示的厚的和刚性的电子器件和如图23所示的薄的的电子器件与受体基体对齐；
67.(5)利用中空毛细管吹气使表面活性液膜变形并与受体基体接触，使表面活性液膜/受体基体接触面积超过如图24所示的厚的和刚性的电子器件和如图25所示的薄的和柔性的电子器件大小。
68.(6)利用疏水棒破坏承载如图26所示的厚的和刚性的电子器件和如图27所示的薄的和柔性的电子器件的表面活性液膜，使电子器件集成于受体基体上，完成转印。
69.优选地，如图28所示，实施例1的中空毛细管截面和实施例2的环状结构形貌与电子器件形状一致且可缩放，可在转印完成中对错位的电子器件达到自对齐和自修正的效果，如图29所示，电子器件自动与中空毛细管截面或环状结构形貌对齐。
70.如图30所示，图30是本技术实例提供的一种将薄的和柔性的电子器件转印至平面基体的效果图。本示例中，受体为3d打印的abs塑料基体，电子器件的厚度为0.85微米，柔性电子器件可较好转印至塑料平面基体。
71.如图31所示，图31是本技术实例提供的一种将薄的和柔性的电子器件转印至倾斜基体的效果图。本示例中，受体为3d打印的abs塑料基体，倾斜角度为45度，电子器件的厚度为0.85微米，薄的和柔性的电子器件可较好转印至倾斜的塑料基体。
72.如图32所示，图32是本技术实例提供的一种将薄的和柔性的电子器件转印至具有超低界面粘性和表面微突起的受体基体效果图。本示例中，受体为日常海绵，电子器件的厚度为0.85微米，薄的和柔性的电子器件可较好转印至具有超低界面粘性和表面微突起的受体基体。
73.如图33所示，图33是本技术实例提供的一种将多个薄的和柔性的电子器件按次序转印至平面基体的效果图。本示例中，受体为和图31一样的3d打印的abs塑料基体，电子器件的厚度均为0.85微米，多个薄的和柔性的电子器件可按次序多层转印至平面基体。
74.如图34所示，图34是本技术实例提供的一种将厚的和刚性的电子器件和薄的和柔性的电子器件按次序转印至平面基体的效果图。本示例中，受体为和图31一样的3d打印的abs塑料基体，薄的和柔性的电子器件厚度为0.85微米，厚的和刚性的电子器件厚度为25微米，厚的和刚性的电子器件和薄的和柔性的电子器件可按次序多层转印至平面基体。
75.如图35所示，图35是本技术实例提供的一种将厚的和刚性的电子器件和薄的和柔性的电子器件，利用表面活性液泡转移并放置在表面突起上的效果图。本示例中，受体为直径为1.68毫米，间距为2.80毫米的微柱点阵，薄的和柔性的电子器件厚度为0.85微米，厚的和刚性的电子器件厚度为25微米，厚的和刚性的电子器件和薄的和柔性的电子器件均可转移并放置于表面突起上。

技术特征：

1.一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将中空毛细管/环状结构蘸取表面活性液体后，与供体上的电子器件对齐，向中空毛细管/环状结构中吹入气体形成压强后，生成表面活性液泡或向下变形的表面活性液膜；（2）利用表面活性液泡或向下变形的表面活性液膜与电子器件共形接触并形成接触面积后，向上提起中空毛细管/环状结构，带动电子器件与供体基体脱离；（3）移动中空毛细管/环状结构，将附着于表面活性液泡/表面活性液膜的电子器件与受体基体对齐，控制表面活性液泡/表面活性液膜所受气体压强，使电子器件与受体基体共形接触并形成超过电子器件大小的接触面积，人为破坏表面活性液泡/表面活性液膜，使电子器件集成于受体基体上，完成转印过程。2.根据权利要求1所述的一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，其特征在于，所述的的电子器件是厚的刚性的电子器件，或薄的柔性的电子器件；所述的厚的刚性的电子器件是指亚毫米和微米量级的电子器件，所述的薄的柔性的电子器件是指亚微米和纳米量级的电子器件。3.根据权利要求1或2所述的一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，其特征在于，所述的转印介质为具有粘性和表面张力性质的表面活性液体形成的表面活性液泡和表面活性液膜，厚度低至亚微米和纳米量级，转印完成后残留物少，电子器件与受体紧密贴合，可形成原位测量效果；表面活性液泡/表面活性液膜透明使得转印清晰，所见即所得，实现精准定位。4.根据权利要求3所述的一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，其特征在于，所述的透明粘性表面活性液体为肥皂液。5.根据权利要求1、2或4所述的一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，其特征在于，所述的操作方式可为控制表面活性液泡所受气体压强，调整表面活性液泡体积大小，可有效抑制转移过程中的电子器件倾斜和印刷过程中的电子器件翻转。6.根据权利要求5所述的一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，其特征在于，所述的操作方式为控制表面活性液膜所受气体压强，使表面活性液膜非均匀多样化变形，使电子器件与受体基体接触，适用于任意复杂曲面印刷。7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，其特征在于，步骤（3）中，所述人为破坏是使用疏水性材料或尺寸在2mm以上的常规材料接触表面活性液泡/表面活性液膜。8.根据权利要求1、2、4或6所述的一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，其特征在于，所述的中空毛细管/环状结构的截面或形貌为电子器件的形貌特征并可适当缩放，在转印过程中达到电子器件自对齐自修正的效果，提高对准精度。

技术总结

本发明公开一种表面张力驱动的通用柔性电子转印方法，利用中空管/环状结构生成表面活性泡/膜，将电子器件拾取并印刷至任意复杂曲面受体。本方法可转印较厚(亚毫米和微米级)和刚性的电子器件以及较薄(亚微米级和纳米级)和柔性的电子器件；表面活性泡/膜易破裂使得转印不需要界面粘性强弱调控策略，可印刷至超低界面粘性基体。无须引入预压力和形成紧密接触面，适应三维、不能承载电子器件和敏感不可压的受体；表面活性泡/膜体积和形貌可控，适用于紧凑空间小尺寸和大幅面转印以及任意曲面转印；表面活性泡/膜厚度在微纳量级，透明清晰易于转印精确定位，并方便多层转印和形成原位测量效果；本发明工艺简单，对电子器件和受体基体材料要求低，通用性好。通用性好。通用性好。