新的金属氧化物印刷技术为透明、柔性电子产品铺平了道路

研究人员已经开发出一种在室温下打印薄金属氧化物薄膜的方法，从而产生透明、柔性和高导电性的电路。该技术使用液态金属沉积固体氧化物膜，即使在高温下也能保持其导电性能。

研究人员已经开发出一种在室温下打印金属氧化物薄膜的方法，并成功地利用这种方法生产出既坚固又可在高温下工作的透明柔性电路。

“制造对电子有用的金属氧化物传统上需要使用缓慢、昂贵且在高温下操作的专用设备，”迈克尔·迪基（Michael Dickey）说，他是这项工作的一篇论文的共同通讯作者，也是北卡罗莱纳州立大学卡米尔和亨利·德雷福斯化学和生物分子工程教授。“我们想开发一种在室温下制造和沉积金属氧化物薄膜的技术，本质上是打印金属氧化物电路。”

金属氧化物在电子学中的作用

金属氧化物是一种重要的材料，几乎存在于每一个电子设备中。大多数金属氧化物都是电绝缘的（如玻璃）。但有些金属氧化物既导电又透明，这些氧化物对智能手机的触摸屏或电脑显示器至关重要。

“原则上，金属氧化物薄膜应该很容易制作，”迪基说。“毕竟，它们是在我们家里几乎所有金属物品的表面自然形成的 —— 汽水罐、不锈钢锅和叉子。虽然这些氧化物无处不在，但它们的用途有限，因为它们不能从它们形成的金属上去除。”

为了这项工作，研究人员开发了一种从液态金属半月板中分离金属氧化物的新方法。如果你把一个管子装满液体，半月板就是延伸到管子末端以外的液体曲面。它是弯曲的，因为表面张力阻止液体完全溢出。在液态金属的情况下，半月板的表面覆盖着一层薄薄的金属氧化物皮，形成于液态金属与空气相遇的地方。

“我们用液态金属填充两个玻璃载玻片之间的空间，这样一个小半月板就可以延伸到载玻片的两端，”迪基说。“把幻灯片想象成打印机，液态金属就是墨水。然后，液态金属的半月板就可以与表面接触。半月板四面都覆盖着氧化物，类似于包裹水球的薄橡胶。当我们在表面移动半月板时，半月板前后的金属氧化物会粘附在表面并脱落，就像蜗牛留下的痕迹一样。当这种情况发生时，半月板上暴露的液体不断形成新鲜的氧化物，从而实现连续打印。”

创造薄而固体的金属氧化物薄膜

其结果是，打印机铺下了两层厚度约为4纳米的金属氧化物薄膜。

“重要的是要注意，即使我们使用液体，沉积在衬底上的金属氧化膜也是固体的，而且非常薄，”迪基说。“胶片附着在基材上，你不能弄脏或涂抹。这对印刷电路很重要。”

研究人员用几种液态金属和金属合金演示了这种技术，每种金属都改变了金属氧化膜的组成。研究人员还可以通过多次使用打印机来铺下一层薄膜。

“我们发现令人惊讶的一件事是，印刷薄膜是透明的，但具有金属性质，”迪基说。“它们具有很高的导电性。”

浦项科技大学（POSTECH）材料科学与工程教授、该研究论文的共同通讯作者郑云勇（音译）说：“由于薄膜具有金属特性，金与印刷的氧化物结合在一起，这是不寻常的 —— 金通常不会粘在氧化物上。当你向这些薄膜中加入少量黄金时，黄金基本上就融入了薄膜中。这有助于防止氧化物的导电性能随着时间的推移而退化。”

郑云勇说：“我们认为这些薄膜具有很强的导电性，因为两层薄膜的中心含有很少的氧气，它更像金属，更少的氧化物。没有金的存在，随着时间的推移，更多的氧气会进入分层薄膜的中心，这使得薄膜变得绝缘。在薄膜中加入金有助于防止薄膜的中心部分氧化。这种效果如此之好令人惊讶，因为我们只用了很少的金 —— 氧化薄膜仍然是高度透明的。”

高温和柔性性能

此外，研究人员还发现，这种薄膜在高温下仍能保持导电性能。如果薄膜厚度为4纳米，它可以在600摄氏度的高温下保持其导电性能。如果薄膜厚度为12纳米，它在至少800摄氏度的高温下仍能保持其导电性能。

研究人员还展示了他们的技术的实用性，他们将金属氧化物打印到聚合物上，制造出高度柔性的电路，即使在折叠4万次后，这种电路也足够坚固，可以保持其完整性。

迪基说：“这种薄膜也可以转移到其他表面，比如树叶，在非常规的地方制造电子产品。我们正在保护这项技术的知识产权，并愿意与行业合作伙伴合作，探索潜在的应用。”

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