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今回我々は、マイクロスケールの地形的特徴を持つ金属化表面上でのガリウムベースの液体金属合金の吸水誘発性、自発的、選択的濡れ特性を実証します。ガリウムベースの液体金属合金は、巨大な表面張力を持つ驚くべき材料です。このため、薄膜化することが困難である。ガリウムとインジウムの共晶合金は、HCl 蒸気の存在下で微細構造銅表面上で完全に濡れ、液体金属合金から自然酸化物が除去されました。このぬれは、Wenzel モデルと浸透プロセスに基づいて数値的に説明され、液体金属の効率的な浸透誘発ぬれには微細構造のサイズが重要であることが示されています。さらに、液体金属の自発的湿潤を金属表面上の微細構造領域に沿って選択的に誘導してパターンを作成できることを実証します。この単純なプロセスでは、外力や複雑な取り扱いを必要とせずに、液体金属を広い面積に均一にコーティングして成形します。我々は、液体金属パターン基板が、伸長時や伸長サイクルを繰り返した後でも電気的接続を保持することを実証しました。
ガリウムベースの液体金属合金 (GaLM) は、低融点、高導電率、低粘度および低流動性、低毒性、高変形性などの魅力的な特性により多くの注目を集めています1,2。純粋なガリウムの融点は約 30 °C で、In や Sn などの一部の金属と共晶組成で融合すると、融点は室温より低くなります。2 つの重要な GaLM は、ガリウム インジウム共晶合金 (EGaIn、重量で Ga 75%、In 25%、融点: 15.5 °C) とガリウム インジウム スズ共晶合金 (GaInSn またはガリンスタン、Ga 68.5%、In 21.5%、および 10%) です。 % スズ、融点: ~11 °C)1.2。GaLM は、液相中での電気伝導性により、電子 3,4,5,6,7,8,9 歪みまたは湾曲センサー 10、11、12 を含むさまざまな用途のための引張または変形可能な電子経路として積極的に研究されています。 、１３、１４およびリード１５、１６、１７。ＧａＬＭからの堆積、印刷、およびパターニングによるこのようなデバイスの製造には、ＧａＬＭおよびその下にある基板の界面特性の知識と制御が必要である。GaLM は高い表面張力 (EGaIn18,19 では 624 mNm-1、ガリンスタン 20,21 では 534 mNm-1) を持っているため、取り扱いや操作が困難になる可能性があります。周囲条件下でGaLM表面上に自然酸化ガリウムの硬い外皮が形成されると、GaLMを非球形に安定化するシェルが形成されます。この特性により、GaLM を印刷し、マイクロチャネルに注入し、酸化物によって達成される界面安定性を利用してパターン化することができます 19、22、23、24、25、26、27。また、硬質酸化物シェルにより、GaLM はほとんどの滑らかな表面に接着できますが、低粘度の金属が自由に流れるのは妨げられます。ほとんどの表面上での GaLM の伝播には、酸化物のシェルを破壊する力が必要です 28,29。
酸化シェルは、例えば強酸または強塩基を使用して除去できます。酸化物が存在しない場合、GaLM はその巨大な表面張力により、ほぼすべての表面に液滴を形成しますが、例外もあります。GaLM は金属基板を濡らしてしまいます。Ga は、「反応性湿潤」として知られるプロセスを通じて他の金属と金属結合を形成します 30、31、32。この反応性の濡れは、金属間の接触を促進するために表面酸化物のない状態で検査されることがよくあります。ただし、GaLM の自然酸化物であっても、酸化物が滑らかな金属表面との接触で破壊すると、金属間の接触が形成されることが報告されています 29。反応性濡れにより、接触角が低くなり、ほとんどの金属基板で良好な濡れが得られます 33、34、35。
現在までに、GaLM パターンを形成するために、GaLM と金属の反応性湿潤の有利な特性を利用することについて多くの研究が行われてきました。たとえば、GaLM は、スミアリング、ローリング、スプレー、またはシャドウ マスキングによって、パターン化された固体金属トラックに適用されています 34、35、36、37、38。硬質金属上での GaLM の選択的湿潤により、GaLM は安定した明確なパターンを形成できます。しかし、GaLM は表面張力が高いため、金属基板上であっても均一性の高い薄膜を形成することが困難です。この問題に対処するために、Lacour et al.は、金でコーティングされた微細構造基板上に純粋なガリウムを蒸着することにより、大面積にわたって滑らかで平坦なGaLM薄膜を製造する方法を報告しました37,39。この方法では真空蒸着が必要ですが、非常に時間がかかります。さらに、脆化の可能性があるため、GaLM は通常、このようなデバイスには使用できません40。蒸着では材料が基板上に堆積するため、パターンを作成するにはパターンが必要です。私たちは、GaLM が自然酸化物の非存在下で自発的かつ選択的に湿潤するトポグラフィックな金属フィーチャを設計することにより、滑らかな GaLM 膜とパターンを作成する方法を探しています。今回我々は、フォトリソグラフィー構造の金属基板上での独特のぬれ挙動を利用した、酸化物を含まないEGaIn（典型的なGaLM）の自発的選択ぬれを報告する。私たちは、フォトリソグラフィーによってミクロレベルで定義された表面構造を作成して吸収を研究し、それによって酸化物を含まない液体金属の濡れを制御します。微細構造金属表面上での EGaIn の濡れ特性の向上は、Wenzel モデルと含浸プロセスに基づく数値解析によって説明されます。最後に、微細構造金属堆積表面上での自己吸収、自発的および選択的濡れによる EGaIn の大面積堆積とパターニングを実証します。EGaIn 構造を組み込んだ引張電極とひずみゲージが潜在的なアプリケーションとして紹介されています。
吸収は、液体がテクスチャード加工された表面４１に侵入する毛管輸送であり、液体の広がりを促進する。私たちは、HCl 蒸気中で蒸着された金属微細構造表面上の EGaIn の濡れ挙動を調査しました (図 1)。下地の表面の金属として銅が選択されました。 平らな銅表面では、EGaIn は反応性濡れのため、HCl 蒸気の存在下で 20° 未満の低い接触角を示しました 31 (補足図 1)。 平らな銅表面では、EGaIn は反応性濡れのため、HCl 蒸気の存在下で 20° 未満の低い接触角を示しました 31 (補足図 1)。 На плоских медных поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного смачивани я31 (дополнительный рисунок 1)。 平らな銅表面では、EGaIn は反応性濡れのため、HCl 蒸気の存在下で 20° 未満の低い接触角を示しました 31 (補足図 1)。平坦な銅表面上では、反応により湿ったＥＧａＩｎは、ＨＣｌ蒸気が存在する場合、＜２０°の低い接触角３１を示す（図１を参照）。平らな銅表面では、反応湿りにより EGaIn が HCl 中に存在します。 На плоских медных поверхностях EGaIn демонстрирует низкие краевые углы <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного сма чивания (дополнительный рисунок 1)。 平らな銅表面では、EGaIn は反応性湿潤のため、HCl 蒸気の存在下で 20° 未満の低い接触角を示します (補足図 1)。バルク銅およびポリジメチルシロキサン (PDMS) 上に堆積された銅膜上の EGaIn の密接接触角を測定しました。
a Cu 上の柱状 (D (直径) = l (距離) = 25 μm、d (柱間の距離) = 50 μm、H (高さ) = 25 μm) およびピラミッド状 (幅 = 25 μm、高さ = 18 μm) の微細構造/PDMS基板。b 銅コーティングされた PDMS を含む平らな基板 (微細構造なし) およびピラーおよびピラミッドのアレイ上の接触角の時間依存性変化。c、d HCl蒸気の存在下でピラーで表面を濡らしたEGaInの(c)側面図と(d)上面図のインターバル記録。
濡れに対するトポグラフィーの影響を評価するために、円柱状およびピラミッド状のパターンを持つPDMS基板を準備し、その上に銅をチタン接着層とともに蒸着しました（図1a）。PDMS基板の微細構造表面が銅でコンフォーマルにコーティングされたことが実証されました（補足図2）。パターン化および平面状の銅スパッタリングされた PDMS (Cu/PDMS) 上の EGaIn の時間依存接触角を図 2 および 3 に示します。1b.パターン化された銅/PDMS 上の EGaIn の接触角は、約 1 分以内に 0° まで低下します。EGaIn 微細構造の濡れ性の向上は、Wenzel 方程式\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\)、ここで \({\theta}_{{rough}}\) は粗い表面の接触角を表します、\ (r \) 表面粗さ (= 実際の面積/見かけの面積) と平面上の接触角 \({\theta}_{0}\)。背面およびピラミッド状パターン表面の r 値がそれぞれ 1.78 および 1.73 であるため、パターン表面上の EGaIn の濡れ強化の結果は Wenzel モデルとよく一致しています。これは、パターン化された表面上にある EGaIn ドロップが、下にあるレリーフの溝に浸透することも意味します。構造化されていない表面上の EGaIn の場合とは対照的に、この場合、非常に均一な平坦な膜が形成されることに注意することが重要です (補足図 1)。
図から。1c、d（補足ムービー1）30秒後、見かけの接触角が0°に近づくと、吸収によってEGaInが液滴の端からさらに遠くに拡散し始めることがわかります（補足ムービー2および補足）図3）。平面に関するこれまでの研究では、反応性湿潤の時間スケールを慣性湿潤から粘性湿潤への移行と関連付けてきました。地形の大きさは、自吸が起こるかどうかを決定する重要な要素の 1 つです。熱力学的観点から吸水前後の表面エネルギーを比較することにより、吸水の臨界接触角 \({\theta}_{c}\) が導出されました (詳細については補足説明を参照)。結果 \({\theta}_{c}\) は \({{{({\rm{cos)))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) ここで、 \({\phi}_{s}\) はポスト上部の小数部分の面積を表し、 \(r\ ）は表面粗さを表します。 \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)、つまり平面上の接触角の場合、吸収が発生する可能性があります。 \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)、つまり平面上の接触角の場合、吸収が発生する可能性があります。 Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.え。контактный угол на плоской поверхности. \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)、つまり平面上の接触角の場合、吸収が発生する可能性があります。\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)、つまり平面上の接触角のとき、吸収が発生します。\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)、つまり平面上の接触角のとき、吸収が発生します。 Всасывание происходит, когда \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактный угол на плоскости. 吸引は、平面上の接触角 \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\) のときに発生します。ポストパターン化されたサーフェスの場合、\(r\) と \({\phi}_{s}\) は \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ として計算されます。 } \ ) および \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\)。ここで、 \(R\) は列の半径を表し、 \(H\) は列の高さを表します。 \ ( d\) は 2 本の柱の中心間の距離です (図 1a)。図のポスト構造化表面の場合。1a、角度 \({\theta}_{c}\) は 60° であり、HCl 蒸気の酸化物のない EGaIn における \({\theta}_{0}\) 面 (~25° ) よりも大きくなります。 Cu/PDMS について。したがって、EGaIn液滴は、吸収により図1aの構造化された銅堆積表面に容易に侵入する可能性があります。
EGaIn の濡れと吸収に対するパターンのトポグラフィー サイズの影響を調査するために、銅でコーティングされたピラーのサイズを変更しました。図上。図２は、これらの基板上のＥＧａＩｎの接触角と吸収を示す。柱間の距離ｌは柱の直径Ｄに等しく、２５〜２００μｍの範囲である。25 μm の高さはすべてのカラムで一定です。\({\theta}_{c}\) はカラムサイズが大きくなるにつれて減少します (表 1)。これは、カラムが大きい基質では吸収が起こりにくいことを意味します。テストしたすべてのサイズで、\({\theta}_{c}\) は \({\theta}_{0}\) より大きく、吸湿性が期待されます。ただし、lおよびDが200μmのパターン化後の表面では吸収はほとんど観察されません（図2e）。
HCl蒸気にさらした後の、さまざまなサイズの柱を備えたCu/PDMS表面上のEGaInの時間依存接触角。b–e EGaIn ウェッティングの上面図と側面図。b D = l = 25 μm、r = 1.78。D = l = 50 μm、r = 1.39 の場合。dD = l = 100 μm、r = 1.20。eD = l = 200 μm、r = 1.10。すべてのポストの高さは 25 μm です。これらの画像は、HCl 蒸気にさらしてから少なくとも 15 分後に撮影されました。EGaIn 上の液滴は、酸化ガリウムと HCl 蒸気の反応から生じる水です。(b ～ e) のスケール バーはすべて 2 mm です。
液体吸収の可能性を判断するためのもう 1 つの基準は、パターンが適用された後の表面への液体の定着です。カービンら。(1) ポストが十分に高い場合、液滴はパターン化された表面に吸収されることが報告されています。(2) 列間の距離がかなり狭い。(3) 表面上の液体の接触角が十分に小さい42。数値的には、同じ基板材料を含む平面上の流体の \({\theta}_{0}\) は、ピン止めの臨界接触角 \({\theta}_{c,{pin)) より小さくなければなりません。 \ )、ポスト間に固定せずに吸収する場合、\({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (詳細については、追加の説明を参照してください)。\({\theta}_{c,{pin}}\) の値はピンのサイズによって異なります (表 1)。吸収が発生するかどうかを判断するには、無次元パラメータ L = l/H を決定します。吸収するには、L が基準閾値 \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} より小さくなければなりません} { \theta}_{{0}}\large\}\)。銅基板 \({L}_{c}\) 上の EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) の場合、値は 5.2 です。200μmのL列は8であり、\({L}_{c}\)の値より大きいため、EGaInの吸収は起こりません。形状の効果をさらにテストするために、さまざまな H と l の自吸を観察しました (補足図 5 および補足表 1)。結果は私たちの計算とよく一致しています。したがって、L は吸収の有効な予測因子であることがわかります。ピラー間の距離がピラーの高さに比べて比較的大きい場合、液体金属はピンニングにより吸収を停止します。
濡れ性は、基材の表面組成に基づいて決定できます。柱と平面にSiとCuを共蒸着することにより、EGaInの濡れと吸収に対する表面組成の影響を調査しました（補足図6）。平坦な銅含有量で Si/Cu 二元表面が 0% から 75% に増加するにつれて、EGaIn 接触角は約 160° から約 80° に減少します。75% Cu/25% Si 表面の場合、\({\theta}_{0}\) は ~80° で、上記の定義によれば \({L}_{c}\) は 0.43 に相当します。 。列 l = H = 25 μm (L は閾値 \({L}_{c}\) より大きい 1 に等しい) であるため、パターニング後の 75% Cu/25% Si 表面は固定化により吸収されません。EGaIn の接触角は Si の添加により増加するため、ピンニングと含浸を克服するには、より高い H またはより低い l が必要です。したがって、接触角 (つまり \({\theta}_{0}\)) は表面の化学組成に依存するため、微細構造内で吸収が起こるかどうかも決まります。
パターン化された銅/PDMS 上の EGaIn 吸収により、液体金属を有用なパターンに濡らすことができます。吸収を引き起こす列ラインの最小数を評価するために、1 ～ 101 の異なる列ライン番号を含むポストパターン ラインを使用して、Cu/PDMS 上で EGaIn の濡れ特性を観察しました (図 3)。濡れは主にパターニング後の領域で発生します。EGaIn ウィッキングは確実に観察され、ウィッキングの長さは列の行数とともに増加しました。2行以下の投稿では吸収はほとんど発生しません。これは毛細管圧の上昇が原因である可能性があります。吸収が柱状パターンで発生するには、EGaInヘッドの曲率によって引き起こされる毛細管圧力を克服する必要があります（補足図7）。柱状パターンを備えた単一行 EGaIn ヘッドの曲率半径が 12.5 μm であると仮定すると、毛細管圧力は約 0.98 atm (約 740 Torr) になります。この高いラプラス圧力により、EGaIn の吸収によって引き起こされる濡れを防ぐことができます。また、列の行が少なくなると、EGaIn と列の間の毛細管現象による吸収力が減少する可能性があります。
a 空気中での異なる幅 (w) のパターンを持つ構造化 Cu/PDMS 上の EGaIn の液滴 (HCl 蒸気にさらす前)。ラックの列は上から: 101 (w = 5025 µm)、51 (w = 2525 µm)、21 (w = 1025 µm)、および 11 (w = 525 µm)。b HCl 蒸気に 10 分間さらした後の (a) 上の EGaIn の指向性濡れ。c、d 柱状構造を持つCu/PDMS上のEGaInのウェッティング（c）2行（w = 75μm）および（d）1行（w = 25μm）。これらの画像は、HCl 蒸気にさらした 10 分後に撮影されました。(a、b) と (c、d) のスケール バーは、それぞれ 5 mm と 200 μm です。(c) の矢印は、吸収による EGaIn ヘッドの湾曲を示しています。
ポストパターニングされたCu/PDMSにおけるEGaInの吸収により、選択的な濡れによってEGaInが形成されることが可能になります（図4）。EGaIn の液滴をパターン領域上に置き、HCl 蒸気にさらすと、EGaIn の液滴が最初に崩壊し、酸がスケールを除去するときに小さな接触角が形成されます。その後、液滴の端から吸収が始まります。センチメートルスケールの EGaIn から大面積のパターニングを実現できます (図 4a、c)。吸収はトポグラフィック表面でのみ発生するため、EGaIn はパターン領域のみを濡らし、平坦な表面に到達すると濡れがほぼ止まります。その結果、EGaInパターンの鋭い境界が観察されます（図4d、e）。図上。図４ｂは、ＥＧａＩｎが非構造化領域、特にＥＧａＩｎ液滴が最初に配置された場所の周囲にどのように侵入するかを示している。これは、今回使用した EGaIn 液滴の最小直径がパターン化された文字の幅を超えていたためです。EGaIn の液滴は、27 G 針とシリンジを介した手動注入によってパターン サイトに配置され、最小サイズ 1 mm の液滴が得られました。この問題は、より小さな EGaIn 液滴を使用することで解決できます。全体として、図 4 は、EGaIn の自発的な濡れが誘導され、微細構造表面に向けられることを示しています。以前の研究と比較して、この湿潤プロセスは比較的速く、完全な湿潤を達成するために外力は必要ありません（補足表2）。
大学の紋章、稲妻の形の文字 b、c。吸収領域は、D = l = 25 μm の列のアレイで覆われています。d、e（c）の肋骨の拡大画像。(a – c) と (d、e) のスケール バーは、それぞれ 5 mm と 500 μm です。(c–e) では、酸化ガリウムと HCl 蒸気の反応の結果、吸着後の表面の小さな液滴が水に変わります。湿潤に対する水の形成の有意な影響は観察されませんでした。簡単な乾燥プロセスで水分を簡単に除去できます。
EGaIn は液体であるため、EGaIn でコーティングされた Cu/PDMS (EGaIn/Cu/PDMS) は柔軟で伸縮性のある電極として使用できます。図5aは、異なる負荷の下での元のCu/PDMSとEGaIn/Cu/PDMSの抵抗変化を比較しています。Cu/PDMS の抵抗は張力下で急激に上昇しますが、EGaIn/Cu/PDMS の抵抗は張力下でも低いままです。図上。図５ｂおよびｄは、電圧印加前後の生のＣｕ／ＰＤＭＳおよびＥＧａＩｎ／Ｃｕ／ＰＤＭＳのＳＥＭ画像および対応するＥＭＦデータを示す。無傷の Cu/PDMS の場合、弾性の不一致により、変形により PDMS 上に堆積された硬い Cu 膜に亀裂が生じる可能性があります。対照的に、EGaIn/Cu/PDMS の場合、EGaIn は依然として Cu/PDMS 基板を十分にコーティングしており、ひずみが加わった後でも亀裂や大きな変形が生じることなく電気的連続性を維持します。EDS データにより、EGaIn からのガリウムとインジウムが Cu/PDMS 基板上に均一に分布していることが確認されました。EGaIn膜の厚さがピラーの高さと同じであり、同等であることは注目に値します。 これは、さらなるトポグラフィー分析によっても確認され、EGaIn膜の厚さとポストの高さの相対差は10％未満です（補足図8および表3）。 これは、さらなるトポグラフィー分析によっても確認され、EGaIn膜の厚さとポストの高さの相対差は10％未満です（補足図8および表3）。 Это также подтверждается дальнейзим топографическим анализом, где относительная разница между толщиной пленки EGaIn высотой столба составляет <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3)。 これは、さらなるトポグラフィー分析によっても確認され、EGaIn膜の厚さとカラムの高さの相対差は10％未満です（補足図8および表3）。さらなる形状特徴分析でもこの点が実証されており、ＥＧａＩｎ薄膜の厚さと柱の高さの間の相対差は１０％未満であった（図８および表３を補足）。 <10% Это также было подтверждено дальнейбим топографическим анализом, где относительная разница между толщиной пленки и высотой столба составляла <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3)。 これは、さらなるトポグラフィー分析によっても確認され、EGaIn膜の厚さとカラムの高さの相対差は10％未満でした（補足図8および表3）。この吸収ベースの湿潤により、EGaIn コーティングの厚さを適切に制御し、広い領域にわたって安定に保つことができますが、その液体の性質によりこれは困難です。図 5c と図 5e は、元の Cu/PDMS と EGaIn/Cu/PDMS の導電率と変形に対する抵抗を比較しています。デモでは、未タッチの Cu/PDMS または EGaIn/Cu/PDMS 電極に接続すると LED が点灯しました。無傷の Cu/PDMS が引き伸ばされると、LED がオフになります。しかし、EGaIn/Cu/PDMS 電極は負荷がかかっても電気的に接続されたままであり、電極抵抗の増加により LED 光はわずかに減光するだけでした。
a 正規化された抵抗は、Cu/PDMS および EGaIn/Cu/PDMS への負荷が増加すると変化します。b、d SEM 画像とエネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) 分析 (b) Cu/PDMS および (d) EGaIn/Cu/メチルシロキサンにロードされたポリ二本鎖の前後 (上) (上) と後 (下)。c、e LEDは、（c）Cu/PDMSおよび（e）EGaIn/Cu/PDMSに取り付けられており、伸張前（上）と伸長後（下）（〜30％の応力）。(b) と (d) のスケール バーは 50 μm です。
図上。図６ａは、ＥＧａＩｎ／Ｃｕ／ＰＤＭＳの抵抗を０％から７０％までの歪みの関数として示す。抵抗の増加と回復は変形に比例し、これは非圧縮性材料に関するプイエの法則 (R/R0 = (1 + ε)2) とよく一致します。ここで、R は抵抗、R0 は初期抵抗、ε はひずみ 43 です。他の研究では、液体媒体中の固体粒子が引き伸ばされると再配置され、凝集力が向上してより均一に分散され、それによって抗力の増加が軽減されることが示されています 43、44 。 ただし、この研究では、Cu 膜の厚さがわずか 100 nm であるため、導体は体積で 99% を超える液体金属です。 ただし、この研究では、Cu 膜の厚さがわずか 100 nm であるため、導体は体積で 99% を超える液体金属です。 однакоかээ頭¿работепроводниксостоит離心> 99％ж> 99％ ただし、この研究では、Cu 膜の厚さがわずか 100 nm であるため、導体は体積で 99% を超える液体金属で構成されています。しかしながら、この作業では、Ｃｕ薄膜の厚さがわずか１００ｎｍであるため、導体は＞９９％の液体金属である（体積理論）。しかし、この作業では、Cu薄膜の厚さがわずか100nmであるため、導電体は>99%になります。ただし、この研究では、Cu 膜の厚さがわずか 100 nm であるため、導体は 99% (体積比) 以上の液体金属で構成されています。したがって、Cu が導体の電気機械特性に大きく寄与するとは考えられません。
a 0 ～ 70% の範囲のひずみに対する EGaIn/Cu/PDMS 抵抗の正規化された変化。PDMS が破損する前に到達した最大応力は 70% でした (補足図 9)。赤い点はピュエの法則によって予測される理論値です。b 伸長-伸長サイクルを繰り返す際の EGaIn/Cu/PDMS 導電率安定性テスト。繰り返し試験では 30% のひずみを使用しました。挿入図のスケール バーは 0.5 cm です。L は、引き伸ばす前の EGaIn/Cu/PDMS の初期長さです。
測定係数 (GF) はセンサーの感度を表し、ひずみの変化に対する抵抗の変化の比率として定義されます45。金属の幾何学的変化により、GF は 10% ひずみの 1.7 から 70% ひずみの 2.6 に増加しました。他のひずみゲージと比較して、GF EGaIn/Cu/PDMS の値は中程度です。センサーとしては、その GF は特に高くないかもしれませんが、EGaIn/Cu/PDMS は、低い信号対雑音比の負荷に応答して堅牢な抵抗変化を示します。EGaIn/Cu/PDMS の導電率の安定性を評価するために、30% ひずみでの伸縮サイクルを繰り返している間の電気抵抗を監視しました。図に示すように。図６ｂに示されるように、４０００回の延伸サイクル後、抵抗値は１０％以内に留まった。これは、繰り返される延伸サイクル中にスケールが継続的に形成されたためであると考えられる４６。このように、伸縮性電極としての EGaIn/Cu/PDMS の長期電気的安定性とひずみゲージとしての信号の信頼性が確認されました。
この記事では、浸透によって引き起こされる微細構造金属表面上の GaLM の濡れ特性の向上について説明します。HCl蒸気の存在下で、EGaInの自発的な完全な濡れが柱状およびピラミッド状の金属表面上で達成されました。これは、Wenzel モデルとウィッキングプロセスに基づいて数値的に説明できます。ウィッキングプロセスは、ウィッキングによる湿潤に必要なポスト微細構造のサイズを示します。微細構造化された金属表面によって導かれる EGaIn の自発的かつ選択的な濡れにより、広い領域に均一なコーティングを塗布し、液体金属パターンを形成することが可能になります。EGaIn でコーティングされた Cu/PDMS 基板は、SEM、EDS、および電気抵抗測定によって確認されているように、伸長時や伸張サイクルを繰り返した後でも電気接続を保持します。さらに、EGaIn でコーティングされた Cu/PDMS の電気抵抗は、加えられたひずみに比例して可逆的かつ確実に変化し、ひずみセンサーとしての応用の可能性を示しています。液体金属の吸収による湿潤原理によって得られる利点は次のとおりです。 (1) GaLM のコーティングとパターニングは外力なしで実現できます。(2) 銅でコーティングされた微細構造表面上の GaLM の濡れは熱力学的です。得られたGaLM膜は変形下でも安定です。（３）銅被覆カラムの高さを変えることにより、制御された厚さのＧａＬＭ膜を形成することができる。さらに、このアプローチでは、ピラーが膜の一部を占めるため、膜の形成に必要なGaLMの量が削減されます。たとえば、直径 200 μm (ピラー間の距離 25 μm) のピラーのアレイを導入した場合、膜形成に必要な GaLM の体積 (~9 μm3/μm2) は、GaLM を使用しない膜の体積と同等になります。柱。(25μm3/μm2)。ただし、この場合、ピュエの法則に従って推定される理論上の抵抗も 9 倍に増加することを考慮する必要があります。全体として、この記事で説明した液体金属の独特の濡れ特性は、伸縮性エレクトロニクスやその他の新興用途向けのさまざまな基板上に液体金属を堆積する効率的な方法を提供します。
PDMS 基板は、引張試験用に Sylgard 184 マトリックス (Dow Corning、米国) と硬化剤を 10:1 および 15:1 の比率で混合し、その後 60°C のオーブンで硬化することによって準備されました。カスタムスパッタリングシステムを使用して、銅またはシリコンをシリコンウェーハ（韓国、Namkang High Technology Co., Ltd.のシリコンウェーハ）および厚さ10 nmのチタン接着層を持つPDMS基板上に堆積させました。シリコンウェーハフォトリソグラフィープロセスを使用して、柱状およびピラミッド状の構造がPDMS基板上に堆積されます。ピラミッド型パターンの幅と高さはそれぞれ 25 μm と 18 μm です。バーパターンの高さは25μm、10μm、1μmに固定し、直径とピッチは25μmから200μmまで変化させた。
EGaIn (ガリウム 75.5%/インジウム 24.5%、>99.99%、Sigma Aldrich、韓国) の接触角は、液滴形状分析装置 (DSA100S、KRUSS、ドイツ) を使用して測定されました。 EGaIn (ガリウム 75.5%/インジウム 24.5%、>99.99%、Sigma Aldrich、韓国) の接触角は、液滴形状分析装置 (DSA100S、KRUSS、ドイツ) を使用して測定されました。 Краевой угол EGaIn (галлий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измощью каплевидного анализа тора (DSA100S、KRUSS、Германия)。 EGaIn (ガリウム 75.5%/インジウム 24.5%、>99.99%、Sigma Aldrich、韓国) のエッジ角度は、液滴分析装置 (DSA100S、KRUSS、ドイツ) を使用して測定されました。 ＥＧａＩｎ（銅７５．５％／銅２４．５％、＞９９．９９％、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ、大国）の接触角は、液滴分析装置（ＤＳＡ１００Ｓ、ＫＲＵＳＳ、韓国）を使用して測定した。 EGaIn (ガリウム 75.5%/インジウム 24.5%、>99.99%、Sigma Aldrich、大韩民国) を接触分析装置 (DSA100S、KRUSS、ドイツ) を使用して測定しました。 Краевой угол EGaIn (галлий 75,5%/индий 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измощью анализатора формы капл (DSA100S、KRUSS、Германия)。 EGaIn (ガリウム 75.5%/インジウム 24.5%、>99.99%、Sigma Aldrich、韓国) のエッジ角度は、形状キャップ アナライザー (DSA100S、KRUSS、ドイツ) を使用して測定されました。基板を 5 cm × 5 cm × 5 cm のガラスチャンバーに置き、直径 0.5 mm のシリンジを使用して基板上に EGaIn を 4 ～ 5 μl 滴下します。HCl 蒸気媒体を作成するために、20 μL の HCl 溶液 (37 wt.%、Samchun Chemicals、韓国) を基板の隣に置き、10 秒以内にチャンバーを満たすのに十分に蒸発させました。
表面は、SEM (Tescan Vega 3、Tescan Korea、韓国) を使用して画像化されました。EDS (Tescan Vega 3、Tescan Korea、韓国) を使用して、元素の定性分析と分布を研究しました。EGaIn/Cu/PDMS 表面トポグラフィーは、光学式表面形状計 (The Profilm3D、Filmetrics、米国) を使用して分析されました。
伸長サイクル中の導電率の変化を調査するために、EGaIn を含むサンプルと含まないサンプルを伸長装置 (Bending & Strechable Machine System、SnM、韓国) に固定し、Keithley 2400 ソースメーターに電気的に接続しました。 伸長サイクル中の導電率の変化を調査するために、EGaIn を含むサンプルと含まないサンプルを伸長装置 (Bending & Strechable Machine System、SnM、韓国) に固定し、Keithley 2400 ソースメーターに電気的に接続しました。 Для исследования изменения электропроводности во время циклов растяжения образцы с EGaIn и без него закрепляли на оборудо вании для растяжения (Bending & Strechable Machine System、SnM、Республика Корея) と электрически подключали к измерителю источника Keithley 2400。 伸長サイクル中の導電率の変化を研究するために、EGaIn を含むサンプルと含まないサンプルを伸長装置 (Bending & Strechable Machine System、SnM、韓国) に取り付け、Keithley 2400 ソースメーターに電気的に接続しました。伸長サイクル中の導電率の変化を研究するために、EGaIn を含むサンプルと含まないサンプルを伸長装置 (Bending and Stringing Machine Systems、SnM、韓国) に取り付け、Keithley 2400 SourceMeter に電気的に接続しました。サンプルひずみの 0% ～ 70% の範囲で抵抗の変化を測定します。安定性テストでは、30% ひずみサイクルを 4000 回繰り返して抵抗の変化を測定しました。
研究デザインの詳細については、この記事にリンクされている Nature 研究の要約を参照してください。
この研究の結果を裏付けるデータは、補足情報ファイルと生データ ファイルに示されています。この記事では元のデータを提供します。
Daeneke, T. et al.液体金属: 化学的基礎と応用。化学薬品。社会。47、4073–4111 (2018)。
Lin, Y.、Genzer, J. & Dickey, MD ガリウムベースの液体金属粒子の特性、製造、および応用。 Lin, Y.、Genzer, J. & Dickey, MD ガリウムベースの液体金属粒子の特性、製造、および応用。Lin, Y.、Genzer, J.、および Dickey, MD ガリウムベースの液体金属粒子の特性、製造と応用。 Ｌｉｎ，Ｙ．、Ｇｅｎｚｅｒ，Ｊ．およびＤｉｃｋｅｙ，ＭＤ 鉄系液体金属粒子の特性、製造および用途。 リン、Y.、ジェンザー、J.、ディッキー、MDLin, Y.、Genzer, J.、および Dickey, MD ガリウムベースの液体金属粒子の特性、製造と応用。高度な科学。7、2000–192 (2020)。
Koo、HJ、So、JH、Dickey、MD & Velev、OD 全ソフトマター回路に向けて: メモリスタ特性を備えた擬似液体デバイスのプロトタイプ。 Koo、HJ、So、JH、Dickey、MD および Velev、OD オールソフトマター回路に向けて: メモリスタ特性を備えた準液体デバイスのプロトタイプ。Koo、HJ、So、JH、Dickey、MD、および Velev、OD 完全にソフトマターで構成される回路へ: メモリスタ特性を備えた準液体デバイスのプロトタイプ。 Koo、HJ、So、JH、Dickey、MD および Velev、OD が全方向に向かう物質電路: バリア特性を備えた標準液体デバイスの原型。 クー、HJ、ソー、JH、ディッキー、MD、ヴェレフ、ODKoo、HJ、So、JH、Dickey、MD、および Velev、OD 回路全ソフトマターに向けて: メモリスタ特性を備えた準流体デバイスのプロトタイプ。先進的な母校。23、3559–3564 (2011)。
Bilodeau, RA、Zemlyanov, DY & Kramer, RK 環境対応エレクトロニクス用の液体金属スイッチ。 Bilodeau, RA、Zemlyanov, DY & Kramer, RK 環境対応エレクトロニクス用の液体金属スイッチ。Bilodo RA、Zemlyanov D.Yu.、Kramer RK 環境に優しいエレクトロニクス用の液体金属スイッチ。 Bilodeau, RA、Zemlyanov, DY および Kramer, RK は、環境対応電子製品の液体金属スイッチを使用しました。 RA ビロドー、DY ゼムリヤノフ、RK クレイマーBilodo RA、Zemlyanov D.Yu.、Kramer RK 環境に優しいエレクトロニクス用の液体金属スイッチ。先進的な母校。インターフェイス 4、1600913 (2017)。
そこで、JH、Koo、HJ、Dickey、MD & Velev、OD 液体金属電極を備えたソフトマターダイオードにおけるイオン電流整流。 それで、JH、Koo、HJ、Dickey、MD & Velev、OD 液体金属電極を備えたソフトマターダイオードにおけるイオン電流整流。 Так、JH、Koo、HJ、Dickey、MD & Velev、OD は、Ионное выпрямление тока в диодах из мягкого материала с электродами из жидкого металла. したがって、JH、Koo、HJ、Dickey、MD & Velev、OD 液体金属電極を備えたソフトマテリアルダイオードにおけるイオン電流整流。 そこで、JH、Koo、HJ、Dickey、MD、Velev、OD のバンド液体金属電極の物質二極管内の電子流を整流します。 ソー、JH、クー、HJ、ディッキー医師、ヴェレフ医師、OD Так、JH、Koo、HJ、Dickey、MD & Velev、OD は、Ионное выпрямление тока в диодах из мягкого материала с жидкометаллическими электродами です。 したがって、JH、Koo、HJ、Dickey、MD & Velev、OD 液体金属電極を備えたソフトマテリアルダイオードにおけるイオン電流整流。拡張機能。母校。22、625–631 (2012)。
Kim, M.-G.、Brown, DK、Brand, O. 液体金属をベースにしたオールソフトで高密度の電子デバイスのナノ加工。 Kim, M.-G.、Brown, DK、Brand, O. 液体金属をベースにしたオールソフトで高密度の電子デバイスのナノ加工。Kim, M.-G.、Brown, DK、Brand, O. オールソフトで高密度の液体金属ベースの電子デバイスのナノ加工。Kim, M.-G.、Brown, DK、Brand, O. 液体金属をベースにした高密度のオールソフトエレクトロニクスのナノ製造。ナショナルコミューン。11、1–11 (2020)。
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Lopes, PA、Paisana, H.、De Almeida, AT、Majidi, C. & Tavakoli, M. ハイドロプリント エレクトロニクス: バイオエレクトロニクスおよび人間と機械の相互作用のための極薄の伸縮性 Ag-In-Ga E スキン。 Lopes, PA、Paisana, H.、De Almeida, AT、Majidi, C. & Tavakoli, M. ハイドロプリント エレクトロニクス: バイオエレクトロニクスおよび人間と機械の相互作用のための極薄の伸縮性 Ag-In-Ga E スキン。Lopez, PA、Paysana, H.、De Almeida, AT、Majidi, K.、および Tawakoli, M. ハイドロプリンティング エレクトロニクス: バイオエレクトロニクスおよびヒューマン マシン インタラクションのための Ag-In-Ga 超薄型伸縮性電子スキン。 Lopes, PA、Paisana, H.、De Almeida, AT、Majidi, C. & Tavakoli, M. ハイドロプリント エレクトロニクス: バイオエレクトロニクスおよび人間と機械の相互作用のための極薄伸縮性 Ag-In-Ga E-スキン。 Lopes, PA、Paisana, H.、De Almeida, AT、Majidi, C. & Tavakoli, M. ハイドロプリント エレクトロニクス: バイオエレクトロニクスおよび人間と機械の相互作用のための極薄伸縮性 Ag-In-Ga E-スキン。Lopez, PA、Paysana, H.、De Almeida, AT、Majidi, K.、および Tawakoli, M. ハイドロプリンティング エレクトロニクス: バイオエレクトロニクスおよびヒューマン マシン インタラクションのための Ag-In-Ga 超薄型伸縮性電子スキン。ACS
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