优秀论文赏析｜Nature Electronics: 基于可调塑性的凝固态液态金属的 3D 柔性电子

柔软、延展性好的导体是设计制造人机交互设备、软体机器人、可穿戴健康监测设备所需的柔性电子材料。近几年，人们在可拉伸导体材料上积极进行探索，在结构设计和材料加工方面取得了一些创新，在这些材料中，以 Ga-In 合金为代表的液态金属（LM）因为具有良好的延展性和流动性，是很有潜力的研究方向。通过使用液态金属材料可以制造许多柔性电子设备，如可穿戴传感器、电容和电感、可变电阻等。

最近的研究主要聚焦在增加使用液态金属材料制造的柔性器件的连接复杂性和鲁棒性上，文章报导了一种使用固态 Ga-In 合金的塑性变形制造具有 3D 结构 LM 柔性电子器件的方法，研究了合金化机制并得到了具有合适固液相变、机械强度和塑性综合性能的合金成分 Ga-10In。这种合金可以在低温下被加工成金属丝或金属片，它好的力学性能又使它能够通过机械变形、弯曲、缠绕等方式制成复杂的 3D 结构电路。通过将 LM 结构预封装在弹性体中，然后加热（>22.7℃）以恢复期流动性，可以得到可拉伸高塑性的 LM 导体以用于柔性电子产品的制备。并且，由于过冷效应，合金可以在一系列温度下保持液体状态（包括低于其熔点的温度）。

通过 Ga-In 合金相图可以知道（如图 1 所示），在其亚共晶（In<21.4 wt%）/ 过共晶（In>21.4 wt%）合金中，其熔点随 In 元素含量增加而增加/降低。对于金属材料而言，合金元素的含量对于合金的塑性和强度有很大影响，此外，Ga-In 液体合金的特定热行为和机械性能（可通过调节 In 元素含量进行调节）对于成功将 Ga-In 合金应用到 3D 导电电路的构建中至关重要。作者分别合成了 Ga-5In、Ga-10In 和 Ga-15In LM 合金（分别含有 5wt%、10wt% 和 15wt% 的 In 元素，均为亚共晶合金），以研究 In 元素含量对合金微观结构、熔点和力学性能的影响。

利用 Phenom 飞纳台式扫描电子显微镜的背散射电子（BSE）成像可以获得不同 In 元素含量合金的相分布图，如图 2 所示，在合金材料中存在 LM 纳米粒子的低温相分离现象，额外添加的 In 元素在材料中以第二相（A6）相存在，并且 A6 相的体积分数随 In 元素含量的增加而增加。

通过 EDS-mapping 分析，可以清楚的观察到合金材料基体和 A6 相中不同元素分布状态，结合 EDS 点分析，可以进一步的说明 A6 是一种溶解在 In 基质中的 Ga 原子的固溶体，而 Ga 基质（A11相）中不含有 In 元素。

根据冶金理论，控制塑性变形的主要机制是位错滑移，第二相往往会阻碍位错滑移，从而提高合金强度，这种机制被称为第二相强化。但是，在基体和第二相的界面处会由于应力集中而产生微裂纹，这些微裂纹继续扩展成宏观裂纹并最终导致界面被拉开。Ga-10In 合金的断裂形态表明，微裂纹主要分布在 A6 相和基体之间的界面上，因此，尽管添加第二相后合金强度增加，但 A6 相可能更容易导致材料断裂。拉伸应力-应变曲线、屈服强度和伸长率与合金元素的含量关系如图 4 d、e 所示。通过应力-应变曲线下方区域的比较四种合金的韧性如图 5a 所示，纯 Ga 的韧性最高，Ga-15In 的韧性最低，Ga-10In 的韧性略低于纯 Ga 而高于 Ga-5In，纯 Ga、Ga-5In 和 Ga-10In 拉伸断裂后的样品表现出明显的颈缩，说明其为塑性断裂，相比之下，Ga-15In 拉伸断裂后样品断口平整，表现出明显的脆性断裂特征。

利用 Ga-10In 合金的特性，可以制备具有 3D 结构的互联拱形电路并利用该电路制成发光二极管阵列，如图 6 所示，利用 Ga-10In 合金制得的具有 6 个支路的互联拱发光二极管阵列可以实现对每个支电路的单独控制。

利用 Ga-10In 合金制得的具有螺旋结构的可穿戴多层柔性电路的传感器可以佩戴在手指或手背上，这种传感器具有高稳定性，在 1000 次的循环实验中保持了良好的 ΔR/R0 稳定性，利用该传感器可以有效的监控手指的弯曲和伸直运动。

文章通过利用 Ga–In合金的金属性能和材料性能，并了解其微观结构和性能之间的关系，为基于 LM 的柔性电子器件的设计和制备提供了一种新的方法。该技术为构建基于 LM 的柔性电子器件提供了一种简单而多用途的策略，可用于创建具有分层结构和复杂 3D 电路的高度集成电子器件，如柔性电路板、软人机接口和软体机器人等。