纳微快报
柔性铜电极的激光擦除及重写:增材与减材过程的高效整合
2021-10-27 21:50
阅读:1041
Laser Erasing and Rewriting of Flexible Copper Circuits

Xingwen Zhou, Wei Guo, Peng Peng*

Nano-Micro Letters (2021)13: 184

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00714-3

本文亮点
1开发了激光直写-擦除-重/改写技术,通过激光能量输入的调控,可基于同种低成本液态铜离子前驱体完成导电铜结构的制造、修改及重构

2. 该技术整合了相矛盾的增材、减材过程,可实现柔性高导电铜结构的多次重/改写,从而可用于导电结构的高效修复及修改

内容简介
柔性电子器件在医疗保健、人机交互、环境监测、人工智能和能源管理等领域有着越来越广泛的应用。用以实现电力及信号传输的导电结构是电子器件的核心组成部分。近年来,“自下而上”的激光直写技术已成为导电结构的高效制造方法之一。然而,在器件的开发、维修过程中,不可避免的需要对导电结构进行修改及重构。由于导电结构的修复、回收技术涉及到“自上而下”的减材过程,通常与包括激光直写在内的制造技术相独立,极大地增加了器件的开发和维护成本。因此,开发适用于导电结构的低成本、可循环激光制造技术迫在眉睫。北京航空航天大学周兴汶等人基于低成本的液态铜离子前驱体,通过调控激光辐照时的能量输入,实现了高导电性铜微结构的直写、擦除及重/改写。研究指出,高能量激光辐照可分解前驱体中的还原剂,还原铜纳米颗粒并将其原位连接为导电结构;低能量激光辐照将导致该酸性前驱体对直写结构的电化学腐蚀,实现导电结构的去除。所提出的全激光加工技术不仅可多次构建/修改导电结构,且适用于氧化/开裂的失效结构修复,从而为电子产品的快速修复和原型设计开辟了一条新途径。
图文导读
I 可擦除激光直写的概念演示及前驱体表征
如图1a所示,本文通过辐照高功率聚焦激光实现导电铜结构的制造,采用低能量散焦激光实现导电结构的选区擦除,随后再次辐照高功率聚焦激光完成导电铜结构的重/改写。基于此概念,成功在柔性基板上实现了结构的直写、擦除及改写(图1b-c)。进一步的前驱体表征(图1d-e)表明,足够的温升(前驱体中还原剂的分解温度)是实现激光直写铜微结构的关键因素。

图1. (a) 激光直写-擦除-重写过程示意图;(b) 直写结构的选区擦除及其表征;(c) 同一基板区域重复改写的不同字符;(d) 前驱体的热重分析;(e) 激光直接辐照前、后前驱体(含过量还原剂)的紫外-可见光谱。

II 典型直写结构的表征

激光直写所得结构主要由纯铜组成(图2a)。所还原的铜纳米颗粒将在激光烧结的作用下以随机角度晶界及孪晶界互连,形成平均粒径66 nm的致密多晶结构(图2b-d)。致密的富铜结构确保了直写结构的高导电性(电阻率与块材铜数量级相同)。结构中仅观察到少量的氧化物,分别为未完全还原(图2e)及再次氧化所形成的氧化亚铜(图2f)。

图2. (a) 典型直写结构的Cu LMM谱图及形貌;典型直写结构中(b-d) 铜及(e-f) 氧化亚铜的TEM表征。

III 擦除机理及结构变

酸性前驱体对结构的电化学腐蚀是实现擦除的根本原因(图3a)。加热前驱体可有效提高直写结构的溶解速率(图3b),但整体加热并不具备选区加工能力。相比之下,利用低能量激光辐照所引起的局部温升可实现选区擦除(图3c)。随着扫描次数/保温时间的增加,直写结构将逐渐溶解直至完全去除(图3d-e)。

图3. (a) 直写结构在硝酸中的极化曲线;(b) 前驱体温度与擦除时间的相关性;(c) 激光扫描次数与选区擦除面积百分比的相关性;(d) 激光擦除过程中结构表面的成分变化;(e) 热擦除过程中结构表面的形貌变化。

IV 直写结构与重写结构的电性能和稳定性比较

研究进一步比较了重写结构与直写结构的电性能及稳定性。如图4a-d所示,重写结构的相对电阻、基板结合力、抗氧化性能及抗弯折性能均与直写结构相似,表明了所述技术出色的可重复性。此外,所得柔性导电结构有望进一步开发为功能元件,例如用以监测弯曲频率的应变传感单元(图4e)。

图4. 直写结构与重写结构的(a) 相对电阻、(b) 基板附着力、(c) 抗氧化性能及(d) 抗弯折性能对比;(e) 不同频率下结构弯折时的电阻变化。

V 导电结构的修复及重编程概念演示

所提出的激光加工技术可进一步应用于柔性电路的修改及修复。利用激光擦除将服役过程中氧化(图5a)或开裂(图5b)的直写结构去除,并通过激光重写再次制造导电铜结构,可实现失效结构的修复。此外,利用激光直写-擦除-重/改写的选区加工能力,有望在电子器件的开发过程中多次修改电路布线,从而实现电路的高效重编程(图5c以发光二极管作为用电器件,演示了将串联电路修改为混联电路的过程)。

图5. (a) 氧化及(b) 弯折后直写结构与重写结构的相对电阻及形貌对比;(c) 重编程电路的等效电路示意及其对应的数码照片。

作者简介

彭鹏

本文通讯作者

滑铁卢大学 助理教授

主要研究领域

激光加工、电子封装、焊接冶金、微/纳连接。

主要研究成果

目前已发表SCI论文100余篇,包括Nature Communications、Advanced Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Hazardous Materials等,引用2700余次,H指数29。

Email: peng.peng@uwaterloo.ca

个人主页

https://uwaterloo.ca/mechanical-mechatronics-engineering/profile/p5peng

郭伟

北京航空航天大学 副教授

主要研究领域

激光冲击强化、激光焊、钎焊、微/纳连接。

主要研究成果

目前已发表SCI论文80余篇,包括Acta Materialia、Materials & Design、Corrosion Science、Journal of Alloys and Compounds等,引用400余次,授权、公开专利10余项。

Email: gwei@buaa.edu.cn

周兴汶

北京航空航天大学 博士

主要研究领域

激光微/纳连接、钎焊、柔性电子器件。

Email: xingwenzhou@buaa.edu.cn

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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