《npj Flexible Electronics》：用于印刷瞬态传感器和无线电子的锌混合烧结（IF=14.676）

背景：

  瞬态电子为减少电子废物和用于植入生物电子学提供了一个有前途的解决方案，但它们的制造仍然具有挑战性。我们报告了一种可扩展的方法，协同结合化学和光子机制来烧结印刷的锌微粒。在使用酸性溶液还原氧化物层后，使用闪光灯退火处理将锌颗粒凝聚成一个连续的层。所得到的烧结锌图样的电导率值高达5.62×10⁶Sm⁻¹。印刷锌痕迹的电导率和耐久性使生物可降解传感器和LC电路的制造成为可能：温度、应变和无芯片无线力传感器，以及用于远程供电的射频感应线圈。该工艺可以减少传递到基板的光子能量，并与温度敏感的聚合物和纤维素基底兼容，为生物可降解电子产品和瞬态植入物的增材制造提供了新的途径。

文献介绍：

  瞬态电子设备，即在给定环境中完全降解而不产生有害副产品的电子组件和设备，在减少电子废物方面显示出潜力，并使新型生物可吸收植入物成为可能，消除了再手术的需要。人们提出了不同的材料，如可溶金属、可降解半导体、基底和电介质。这些发展导致了各种设备的演示，包括电池、加热器、晶体管、能量收集器，以及压力、应变和温度传感器。这些功能性生物可降解组件和器件大多依赖于来自半导体工业的微加工技术，以及使用掩膜技术或转移打印，以避免将功能层直接绘制在温度和溶剂敏感的可生物降解基质上的困难。作为一种替代方法，增材制造技术在制造柔性瞬态电子器件方面显示出了前景，特别是在需要大面积、成本效益和低废物制造的领域。数字增材制造还具有允许在3D曲线曲面上自由打印和多传感范式的无缝集成的优势。这扩展了可定制的、可变形的或高度适形的传感器网络的设计可能性，这可以是自供电或远程供电的。这些制造方法有潜力为功能性可降解电子器件的制造开辟新的可能性，但需要联合优化可打印的油墨的配方、沉积工艺和后处理方法。在将瞬态金属微颗粒或纳米颗粒油墨沉积后，电导率通常很低或不存在，并且需要一个烧结步骤，即将材料致密化而不熔化到液化点。由于这些材料的反应性，以及它们容易在空气中自然形成氧化层，这一点尤其具有挑战性。目前提出的方法很少，可以实现烧结印刷可降解的可生物降解导电层。这些方法侧重于锌，因为它的熔点很低，而且它的微颗粒和纳米颗粒形式的价格适中。目前应用于烧结锌颗粒的方法可分为光子和电化学两类。光子方法是基于使用高功率激光器或灯来选择性地加热金属层，同时最小化与衬底的相互作用。它们通常受到锌颗粒的高熔点（Tm=1950°C）天然氧化层的限制，该氧化层通过将金属锌保持在固体壳中而阻止了有效的颗粒团聚。即使施加高于10Jcm⁻²的烧结脉冲强度，所达到的电导率仍然有限。锌的电化学烧结是一种室温方法，利用乙酸或类似物之间的相互作用，将天然氧化层转化为锌离子。金属离子在粒子之间重新沉积，从而形成导电路径。电化学烧结通常产生较低的电导率值（在1-3×10⁵Sm⁻¹左右），这是由于颗粒之间的桥接和层中存在残留的粘结剂。最后，当用瞬态金属制造复杂的柔性器件时，一个反复出现的挑战是，它们的反应性阻碍了使用多个后处理步骤，这可能会损坏金属迹线。因此，需要开发可靠的添加剂制造生态或生物可吸收金属痕迹的工艺，与后处理步骤兼容，产生具有足够运行时间的稳定器件。

  在这项工作中，我们提出了一种可扩展和增材制造高导电瞬态金属锌迹线的混合方法。通过印刷沉积后，锌微粒通过乙酸溶液还原天然氧化物壳。该还原剂通过优化的喷涂工艺来提供，其目的是减轻先前提出的分配方法的缺点。闪光灯退火（也称为光子烧结）用于进一步烧结金属图案。这种方法可以使印刷瞬态金属达到无与伦比的电导率，高达5.62×10⁶Sm⁻¹，仅比散装锌(16.6×10⁶Sm⁻¹)的电导率低约三倍。作为一个额外的好处，传递到样品的能量远远低于以前关于锌光子烧结的研究。这允许增加与较低的热预算基底的兼容性。证明了打印迹线的机械灵活性以及它们在与其操作相关的环境中的稳定性。由于瞬态金属迹线的坚固性，制造需要进一步固化或沉积步骤的多层设备成为可能。本文报道了一套印刷的物理传感器，包括电阻应变和温度传感器，以及一个无线电容力和压力传感器。在本工作中提出的过程有利地利用化学和物理机制来获得高导电性（与热固化铜或银墨水相当）的瞬态金属痕迹。这些进展为添加剂制造的环保物联网组件和生物可吸收电子植入物开辟了新的途径。

引用：

https://www.nature.com/articles/s41528-023-00249-0

本网站所发表内容转载时会注明来源，版权归原出处所有（无法查证版权的或未注明出处的均来源于网络搜集）。转载内容（视频、文章、广告等）只以信息传播为目的，仅供参考，不代表本网站认同其观点和立场。内容的真实性、准确性和合法性由原作者负责。如涉及侵权，请联系删除，此转载不作为商业用途