液態(tài)金屬印刷電子學：從概念提出到工業(yè)化發(fā)展歷程

作者 | 陳森,、劉靜
來源 | 中科院理化所

近期,，中科院理化所液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學研究中心應Cell旗下期刊iScience之邀，發(fā)表了題為“Pervasive liquid metal printed electronics: From concept incubation to industry (10.1016/j.isci.2020.102026)”的展望文章，評述了液態(tài)金屬印刷電子學從概念提出到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的歷程，總結(jié)了這一新興領(lǐng)域有里程碑意義的核心材料,、打印技術(shù)與代表性裝備，剖析了制約產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素并予以展望,。文章第一作者為博士生陳森，通訊作者為劉靜研究員,。

眾所周知,，人類對技術(shù)的終極追求就是制造一切，這其中的關(guān)鍵在于功能制造,，而電子器件又首當其沖,，可以說在現(xiàn)代文明中扮演了至關(guān)重要的作用。迄今已有的電子制造方法大多昂貴,、耗時,、耗材及耗能，不易實現(xiàn)個性化和普及化,。

圖1. 未來可望無處不在的普惠型液態(tài)金屬印刷電子

正是在這樣的背景下,，中科院理化所于2010年前后開創(chuàng)性提出了具有領(lǐng)域突破性意義的液態(tài)金屬印刷電子學思想（圖1），相繼發(fā)明了一系列全新概念的制造裝備和電子材料,，建立了有關(guān)基本原理和方法（圖2）,，申請了一批底層核心技術(shù)專利，出版了均為國內(nèi)外首部的前沿著作：《液態(tài)金屬印刷電子學》,、《液態(tài)金屬3D打印技術(shù)：從原理到應用》以及《中國液態(tài)金屬工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告：一個全新工業(yè)的崛起》等,，推動了一批工業(yè)化成果的驗證乃至規(guī)模化市場產(chǎn)品的應用,，有關(guān)成果一經(jīng)問世便持續(xù)引發(fā)國內(nèi)外業(yè)界廣泛重視,。

圖2. 液態(tài)金屬印刷電子學代表性典型材料、技術(shù)及裝備

時至今日,，全球范圍內(nèi)液態(tài)金屬印刷電子學的研發(fā)態(tài)勢已是此起彼伏,，大量學術(shù)論文短時間內(nèi)呈爆發(fā)式增長，彰顯了一個新興領(lǐng)域的興盛和繁榮,�,？偟恼f來，這一全新的電子制造模式,，打破了傳統(tǒng)技術(shù)的瓶頸和壁壘,，使得在低成本下快速、隨意地制作個性化電子電路特別是柔性功能器件成為現(xiàn)實，預示著一個人人觸手可及的電子制造時代的到來,，一個普惠型電子工程學產(chǎn)業(yè)也得以應運而生,。

然而，液態(tài)金屬印刷電子學從起初的萌芽到最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,，卻是一個頗為漫長的過程,。其最早醞釀可追溯至本世紀初，當時,，中科院理化所科研人員在嘗試采用液態(tài)金屬冷卻計算機芯片時發(fā)現(xiàn),，不經(jīng)意間飛濺到電腦屏幕上的金屬液滴很難被擦拭干凈，這一體驗并不讓人感到愉悅,。然而隨著時間的推移,，正如不少科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明均源于偶然事件一樣，這種液態(tài)金屬可在室溫下沉積于特定基底的現(xiàn)象啟發(fā)了科學家將其用于電路印刷,，不過由于缺乏先例,，團隊僅在液態(tài)金屬涂敷問題的摸索上，就花費了多年時間,，直至隨著關(guān)鍵性潤濕機理的揭示和認識,，才迎來了從材料到系統(tǒng)乃至應用技術(shù)的突破。

其中的一些標志性進展如：液態(tài)金屬印刷電子學與夢之墨概念的系統(tǒng)論述(Zhang et al., Frontiers in Energy, 6: 311-340, 2012),、紙上可印刷式溫度傳感器(Li et al, Applied Physics Letters, 101: 073511, 2012),、柔性電路直寫技術(shù)(Gao et al., PLoS ONE,7: e45485, 2012)、皮膚電子直寫技術(shù)(Yu et al., PLoS ONE, 8: e58771, 2013),、透明導電薄膜技術(shù)(Mei et al., Applied Physics Letters, 102: 041509, 2013),、液態(tài)金屬3D混合電子打印方法與裝備(Zheng et al., Scientific Report, 3: 1786, 2013)、可在任意表面制造電子的液態(tài)金屬霧化噴墨打印技術(shù)(Zhang et al., Appl. Phys. A., 116: 1091-1097, 2014),、世界首臺液態(tài)金屬電子電路打印機的發(fā)明及研制(Zheng et al., Sci. Rep., 4: 4588, 2014),、液態(tài)金屬液相3D打印(Science China Tech. Sci., 57: 1721-1728, 2014)、液態(tài)金屬懸浮3D打印(Adv. Mater. Technol., 1700173, 2017),、液態(tài)金屬雙轉(zhuǎn)印技術(shù)(Wang et al., Advanced Materials, 27: 7109-7116, 2015),、秒級制造電路的液態(tài)金屬智慧印刷技術(shù)(Science China Materials, 62: 982-994, 2019)、液態(tài)金屬薄膜晶體管與集成電路全打印(Science China Info. Sciences, 62: 202403, 2019),、液態(tài)金屬二維半導體材料與器件直接印刷(Physica Status Solidi-Rapid Research Letters, 13: 1900271, 2019)等,。

上述許多工作由于鮮明的首創(chuàng)性，一經(jīng)發(fā)表就在國內(nèi)外引發(fā)較大反響,，受到諸多國際知名科學雜志,、新聞或?qū)�業(yè)網(wǎng)站如MIT Technology Review、IEEE Spectrum,、ASME Today,、Phys.org,、Chemistry World、National Geographic,、Asian Scientist Magazine,、Geek、Desktop Engineering,、Discover,、CCTV、Fox News等的專題報道,。業(yè)界普遍認為,，“找到了室溫下直接制造電子的方法，就意味著打開了極為廣闊的應用空間乃至通過家用打印機制造電子器件的大門”,。

圖3. 以蝴蝶翅膀形狀隱喻液態(tài)金屬印刷電子產(chǎn)業(yè)的騰飛情形

有關(guān)成果先后入圍2014兩院院士評選中國十大科技進展新聞,、美國科技界創(chuàng)新奧斯卡2015 R&D 100 Awards Finalists、2015中關(guān)村十大科技創(chuàng)新成果,、2016美國《Popular Science》(中文版)全球100項最佳科技創(chuàng)新獎、2019中國科學院科技成果在京轉(zhuǎn)化先進團隊特等獎等,。隨著一系列市場產(chǎn)品如液態(tài)金屬電子手寫筆,、液態(tài)金屬電子墨水、液態(tài)金屬桌面電子電路打印機,、液態(tài)金屬智慧印刷設備,、液態(tài)金屬3D打印設備以及諸多液態(tài)金屬功能器件的陸續(xù)問世，液態(tài)金屬印刷電子產(chǎn)業(yè)就如圖3所示那樣得以插上騰飛的翅膀,，有關(guān)應用陸續(xù)進入社會的方方面面（圖4）,，正在改變著人們的生產(chǎn)生活方式。

圖4. 液態(tài)金屬印刷電子學技術(shù)的典型應用場景

在此篇展望文章中,，作者們還特別對影響和制約液態(tài)金屬印刷電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素進行了剖析和提煉,，繪制出如圖5所示的旨在反映這一領(lǐng)域從概念孕育到工業(yè)化實踐的路徑發(fā)展曲線，揭示了產(chǎn)業(yè)推進中必不可少的波動性和漸進式特點,，指出學術(shù)界,、工業(yè)界乃至社會各界有必要對此規(guī)律予以明晰洞察，以便既能理性看待新產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長特點,，也能坦然面對間或出現(xiàn)的困境和挫折,，從而對新興領(lǐng)域保持樂觀進取的態(tài)度，乃至成為新產(chǎn)業(yè)的助力者和推動者,。

比如,，液態(tài)金屬印刷電子自提出以來，首先經(jīng)歷了一個原始創(chuàng)新密集涌現(xiàn)的技術(shù)萌發(fā)期(Innovation Trigger),，此階段同時吸引了大量的公眾關(guān)注,。隨著關(guān)注達到頂峰,，工業(yè)化階段迎來“期望之巔”（Peak of Inflated Expectations），此時人們對于產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)速度有著超乎尋常的期待,。然而由于不可預見且難以避免的問題,，液態(tài)金屬印刷電子產(chǎn)業(yè)化之路并非一帆風順，這種期待的落空會引發(fā)公眾的關(guān)注度轉(zhuǎn)而降低,，從而導致工業(yè)化階段進入“幻滅低谷期”（Trough of Disillusionment）,。此階段是對新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要考驗，許多新興企業(yè)都折戟于此,。

值得指出的是,，液態(tài)金屬印刷電子技術(shù)因其所見即所得的獨特優(yōu)勢而在教育市場上始終受到關(guān)注和認可，這為其后產(chǎn)業(yè)化的穩(wěn)定增長提供了有力支持,。隨著研究不斷推進,、產(chǎn)業(yè)化得到驗證以及新產(chǎn)線的建立，液態(tài)金屬印刷電子獲得了長足發(fā)展,，產(chǎn)業(yè)化進入“復蘇期”（Slope of Enlightenment）,。未來，有理由相信隨著技術(shù)的持續(xù)成熟和殺手級產(chǎn)品的不斷應用,，這一領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化還將迎來輝煌的“高峰期”（Plateau of Productivity）,。

圖5. 液態(tài)金屬印刷電子及產(chǎn)業(yè)從概念孕育到工業(yè)化實踐的發(fā)展路徑

此次受邀于iScience就“液態(tài)金屬印刷電子”發(fā)表前瞻性展望，反映了國際學術(shù)界對中科院理化所及其合作團隊開創(chuàng)性工作的認可,。此篇前瞻性評述的發(fā)表,，可望及時有效的推動相應基礎研究和應用的繁榮，從而引導產(chǎn)業(yè)化持續(xù)穩(wěn)步健康發(fā)展,。

以上研究得到國家自然科學重點基金,、中國科學院院長基金及前沿項目等支持。

這個不錯啊,。液態(tài)金屬應用領(lǐng)域之前一點不懂