超薄柔性电子具有可弯曲、可共形的特性以匹配任意复杂曲面，与传统刚性电子器件相比具有更广阔的应用前景，如电子皮肤、柔性传感、医疗监测等。然而，制备过程中高温、化学腐蚀等条件限制了超薄柔性电子在人体等敏感基体上的直接制备，需要利用主流的转印技术，引入固体或液体印章将电子器件从制备基底上拾取并集成在目标基底。

  已有转印较好的促进了柔性电子发展，但挑战仍然存在：（１）固体印章的变形和界面调控能力有限，限制了柔性电子器件在具有复杂曲面和超低界面粘性等特征的基体上的集成；（２）转印常见的预压、接触等操作易使柔性电子褶皱甚至局部断裂破坏，限制了柔性电子的超薄和大尺寸转印；（３）液体印章易引起液体残留，后续蒸发处理耗时，影响转印效率。

  近日，大连理工大学李明教授、刘军山研究员及清华大学吕存景教授团队提出了一种工艺简单、无损无褶皱和无残留的肥皂膜转印方案，实现了大尺寸超薄电子器件的无褶皱转移及无黏附强度限制的任意复杂曲面的共形转印集成，且整个转印过程清晰透明，以“所见即所得”的方式进行精确定位。 

肥皂膜转印工艺流程

  肥皂膜转印与成熟的微纳制备既兼容又相互独立。微纳制备一般经历光刻、刻蚀后需要溶解牺牲层，使得超薄柔性电子漂浮在清洗液中。肥皂膜转印工艺则与微纳制备无缝衔接，首先将清洗液更换为肥皂液，然后将圆环结构伸入肥皂液中并置于超薄柔性电子底部，利用圆环搭接超薄柔性电子局部，此时向上提起圆环，圆环与肥皂液的液面上方会形成肥皂膜，超薄柔性电子附着在肥皂膜上并随肥皂膜同步脱离肥皂液，完成拾取过程。受表面张力作用，拾取后的超薄柔性电子以一种无褶皱的方式附着于圆环内部的超薄透明的肥皂膜上，同时，超薄柔性电子与圆环搭接的局部可起到限位作用，确保转印对齐精度。面向复杂形貌基体集成时，引入局部气体射流使肥皂膜不均匀变形贴合基体表面。当超薄柔性电子与基体完全接触后，利用疏水棒破坏肥皂膜即可完成转印，无须传统转印工艺中复杂的界面粘附强度调控操作。得益于肥皂膜的超薄、透明、易变形及可控破裂的特性，研究人员将600纳米厚的超薄电子器件转印集成在敏感不承载基体（超薄蜘蛛网和超软棉花）和低粘性基体（蒲公英）上，转印残留低（肥皂膜厚度约为1.57微米），无需后续蒸发操作，工艺简单。 

图1 肥皂膜转印. (a) 转印流程图; (b) 600纳米厚的超薄柔性电子集成在超薄蜘蛛网和棉花上; (c) 超薄柔性电子集成在接触面积极小且黏附强度极低的蒲公英上.

肥皂膜转印机理

  上述简洁公式表明，肥皂膜工艺最大承载器件重量G_max及尺寸R_e^max可通过调控圆环半径R_c实现，而稳定的肥皂膜半径R_c可达2米，因此肥皂膜转印工艺可支持米量级的大幅面柔性电子转印。此外，肥皂膜转印机理分析表明，当前工艺对待转印柔性电子的图案、分辨率、厚度和应用基体的界面粘性、表面曲率和内凹深度是没有限制的，极大拓展了转印工艺的应用范围。 

图2 肥皂膜转印的力学机理. (a) 超薄电子器件通过搭接方式从肥皂液中拾取的实验图（左）、放大图（中）及相应的电子器件受力图（右）; (b) 承载电子器件（140毫克）的肥皂膜变形图（左），浓度相关的肥皂膜表面张力（中）及稳定肥皂膜的承载能力（右）; (c) 肥皂膜不均匀变形的实验图（左）、理论图（中）及随气体射流速度增加产生的亚稳定肥皂柱及肥皂泡（右）; (d) 肥皂膜数百次的振荡（左）及破裂（中）后在显微镜下观测到的电子器件褶皱（右）而不是裂纹.

肥皂膜转印应用

  研究人员首先验证了肥皂膜转印对待转印柔性电子的兼容性。物理实验表明，肥皂膜转印支持具有多种图案、单微米分辨率、厚度低至100纳米、幅面达50×50 mm²的超薄柔性电子，这是以往转印工艺所不能达到的。同时，当前分辨率和幅面受限于课题组制备能力，前述理论模型表明肥皂膜转印工艺对待转印柔性电子分辨率未有限制，且幅面支持米量级。与传统易引起褶皱和裂纹的干法转印不同，在肥皂膜转印过程中，超薄柔性电子以一种展平无褶皱的方式存在于肥皂膜中，极大确保了转印对齐精度。 

图3 肥皂膜转印的电子器件兼容性. (a) 单微米分辨率超薄电子器件拾取的实验图（左）及放大图（右）; (b) 厚度为100纳米（左）及4微米（右）的电子器件的拾取; (c) 尺寸为50×50 mm²厚度为400纳米的电子器件的拾取（左）及在人体手背（中）和键盘（右）的集成; (d) 尺寸为10×10 mm²厚度为600纳米的褶皱电子器件（左）在肥皂液中自由展开（中）并以无褶皱的方式拾取到圆环中（右）.

  研究人员验证了肥皂膜转印对目标应用基体的兼容性。物理实验表明，肥皂膜转印支持具有复杂曲面（规则凹面和不规则珊瑚表面）、纳米级曲率表面（最小曲率半径为131纳米的DVD-R光盘）、紧凑内部空间（深度为45毫米的克莱因瓶内部空腔）基体和人体表皮（表面粗糙度幅值在15-100微米）的集成。在应用于人体心电图测量时，利用肥皂膜转印工艺集成在人体表皮的超薄电极可稳定测量心电信号，有效去除了人体运动带来的运动伪影现象。 

图4 肥皂膜转印的基体兼容性. (a) 超薄电子器件集成在曲率为10.64毫米的凹面（左）与具有不规则曲率的珊瑚（右）; (b) 100纳米厚的parylene薄膜集成在最小曲率半径为131纳米的DVD-R光盘上的实验图（左）及扫描电镜图（右）; (c) 在长柔性管的帮助下（左），超薄电子器件集成在克莱因瓶的内部空腔（深度为45毫米）（右）; (d) 两个600纳米厚的超薄电极集成在人体左胸的实验图（左）及放大图（中），超薄电极阻抗低于商用湿电极（右）; (e) 超薄电极（左）与商用湿电极（右）被戳时的心电信号测量结果.

  肥皂膜转印形成超强稳定界面粘性支持长时间实时测量应用。肥皂膜转印虽对目标应用基体界面粘性无要求，但转印后的超薄柔性电子与目标基体形成超强的共形和牢固的长时间界面粘附。研究人员将超薄柔性电子集成在鱼的头部，鱼在水下自由游泳1.5小时而超薄柔性电子完全没有脱落。此外，集成于蒲公英和蜻蜓翅膀的超薄柔性电子在经历长时间疲劳实验后也未观测到界面脱粘现象。这种长时间稳定性为复杂工况可穿戴电子提供了可能。研究人员利用肥皂膜转印将超薄柔性传感器集成在充满蒸汽的冷凝圆管上监测温度变化，历时５个小时仍能准确、稳定的测量，远优于商用热电偶。 

图5 肥皂膜转印后的超强界面黏附. (a) 超薄电子器件集成在具有高黏附强度的鱼头（左）及极低黏附强度的毛毛草（右）; 超薄电子器件与 (b) 蜻蜓翅膀及 (c) 蒲公英的牢固的长时间界面黏附; (d) 超薄温度传感器与商用热电偶集成在圆柱形冷凝管的实验图（左）及放大图（右）; (e) 在透明胶带帮助下与圆管紧密贴合的超薄温度传感器与在防水胶带帮助下最终脱落的商用热电偶的实验图（左）及放大图（右）; (f) 超薄温度传感器、商用热电偶及理论模型得到的圆柱形冷凝管的表面温度.

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202308312

课题组简介：

  李明教授课题组关注薄膜失稳与褶皱力学、柔性电子、结构设计、清洁能源等研究方向，取得了系列创新成果：基于刚度调控思想，提出受拉薄膜无褶皱的系列优化设计；基于优化设计思想，提出适用于硬质和软质电子的系列转印方案。相关成果发表于Small、Materials Design、International Journal of Engineering Science、Journal of Mechanics and Physics Solids、International Journal of Mechanical Science等国际学术期刊。

  课题组信息详见：http://faculty.dlut.edu.cn/mingli/zh_CN/index.htm