基于液态金属的柔性可回收电子器件的制备与应用研究

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近年来柔性电子已经逐渐进入公众视野并在生产与生活中发挥着重要作用,这得益于众多关于柔性导电材料的探究。然而在电子污染日趋严重的背景下,具有瞬时性的柔性电子则发挥了更安全环保的作用,它可以在完成特定功能和任务后可以简易无污染销毁,又称为瞬态电子。瞬态电子是解决电子污染问题的良好方法,但在目前研究中的瞬态电子也存在着销毁耗时间长,不易回收,资源浪费等缺点。镓基液态金属是一种在室温下处于液态的金属材料,低毒性,兼具优异的流动性和导电性,以此制备的柔性电子轻薄柔韧,有良好的机械和电学稳定性,而且具有高表面张力,可以极易回收,是发展瞬态电子的新型材料。在将液态金属应用于电子器件时需要先将其图案化,在以往的研究中,液态金属图案化方式需要借助众多仪器设备与复杂的工艺且适用范围较窄。为此,我们开发了两种简易、高效的液态金属图案化法,并将其成功应用于制备液态金属瞬态电子和液态金属柔性电子器件。为验证它的实用性,进而制备了多种液态金属柔性可穿戴设备和柔性无线电力传输设备。主要研究内容如下:第一,开发了一种液态金属瞬态电子的图案化与封装方法。利用水溶性聚乙烯醇(PVA)制备图案化的微流管道模板和密封层,填充液态金属后用水雾将两层PVA溶融粘合封装,不影响液态金属图案完整性。此法操作简单,图案分辨率高,得到的瞬态电路具有良好的稳定性。而后又开发了一种以水溶性薄膜为牺牲层辅助液态金属图案化的方法,它利用水溶性薄膜辅助填充液态金属,将水溶性薄膜溶解后即可得到完整的沉积在管道内的液态金属图案。这种简便、易操作的方法可以制备多尺度、高分辨率的液态金属图案,无需借助任何复杂仪器且性能稳定。第二,利用液态金属瞬态电子的图案化与封装方法制备了多种柔性电子器件来验证它的应用,包括:柔性NFC电子标签,在弯曲形变时也可以激活手机的应用;液态金属叉指式电容传感器,反应灵敏,与单片机联用可以控制电脑幻灯片的基本操作。上述电子器件使用完毕后,可将其丢入去离子水中销毁。通过添加稀氢氧化钠溶液对残碎的液态金属进行处理,即可使得其自动融合成大液滴,方便回收,且回收率可达96%以上。此外,我们还展示了液态金属瞬态电路在顺序关闭LED灯阵列的应用。第三,我们还利用水溶性牺牲层薄膜辅助液态金属图案化的方法制备了多种尺寸的液态金属电感线圈,探究了其在柔性无线充电设备中的应用。由液态金属制备的无线电力传输设备充电效率最高可达60%以上,即使在弯曲半径为12.5 mm时下依然可以保持高效的传输效率。同时在应对不同负载和互感线圈相对位移时也有良好的兼容性。利用它的柔性我们还制备了无线充电发射手套,可以给无源设备进行无线供电。作为未来极具前景的供能方式,液态金属无线电力传输设备能够为可植入式设备和可穿戴设备无线充电,极大的方便了充电的过程,提高了使用者的舒适度。
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