研究背景
随着软电子学、光电子学、生物电子学和能源设备领域的迅速发展，高性能柔性和可拉伸设备的需求日益增加，这些设备对电子材料的质量和加工条件提出了挑战。传统上，高质量电子材料往往需要在高温条件下合成或处理，例如硅、砷化镓和氮化镓等，这限制了它们直接在柔性或可拉伸基板上的应用。为了克服这些限制，转移印刷技术应运而生，允许将高质量材料从刚性母基板转移到柔性目标基板，从而推动了软电子设备的进步和应用。
然而，现有的转移印刷技术面临多重挑战。首先，传统的湿法蚀刻过程使用高反应性和有毒的蚀刻剂，可能会对目标层造成化学损伤，同时在微图案化薄膜的情况下容易引起不良的浮动和皱纹，导致薄膜的机械断裂。其次，高温处理过程中的薄膜易于损伤和失效，进一步限制了材料的选择和加工过程。
研究内容
针对这一问题，韩国浦项基础科学研究所Dae-Hyeong Kim & Sangkyu Lee以及釜山大学Ji Hoon Kim教授携手开发一种新的转移印刷策略，即干式转移印刷，基于应力工程的原理。研究团队通过调整直流磁控溅射的参数，精确控制金属双层薄膜中的应力分布，形成一种设计良好的应力梯度。
接下来，利用机械弯曲的方式对母基板施加外向力，进一步增加薄膜内部的应力，从而超过薄膜与基板之间的界面韧性，实现了高质量薄膜的可靠剥离。这一干式转移印刷过程不仅避免了化学蚀刻带来的损伤风险，而且能够有效应对高温处理对薄膜的挑战，确保了材料的完整性和性能稳定性。以上成果在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Damage-free dry transfer method using stress engineering for high-performance flexible two- and three-dimensional electronics”的最新论文。
图文解读
1. 无损伤的转移印刷方法：
○ 通过应力控制和机械弯曲，实现了从母基板到目标柔性基板的薄膜转移，避免了传统湿法蚀刻过程中可能导致的化学损伤和薄膜损伤问题。
○ 相比于传统方法，无需使用高度反应性和有毒的蚀刻剂，减少了对环境和操作者的潜在危害，提升了制备过程的安全性和可持续性。
2. 应力工程控制：
○ 通过直流磁控溅射沉积，精确控制金属双层薄膜中的应力分布和梯度。
○ 外加机械弯曲变形，增加薄膜内部应力，促进薄膜从母基板上可靠剥离，这种策略使得转移过程更加可控和高效。
3. 适用于高温处理薄膜的转移：
○ 可成功转移经高温处理的氧化物薄膜，如金属氧化物，而不会引起器件和基板之间的原子扩散。
○ 这一特性使得能够在柔性或可拉伸基板上制备高性能的电子器件和多功能器件，扩展了转移印刷技术的适用范围和实际应用性。
图 1 | 基于应力工程，无损伤干式转印的概念。
图 2 | 铂Pt薄膜的应力工程。
图 3 | 各种2D Pt薄膜的转移及其向3D结构的转换。
图 4 | 具有2D/3D混合结构的集成传感器阵列演示。
图 5 | 具有转移LiCoO2薄膜的柔性薄膜电池thin-film battery，TFB制造。
结论展望
以上文章提出了一种创新的干式转移印刷工艺，通过应力工程控制薄膜的释放，解决了传统转移印刷技术中存在的化学损伤、薄膜损伤和高温加工难题。这一方法通过调节直流磁控溅射参数，精确控制双层结构中的应力水平和梯度，再通过对母基板施加外向弯曲变形，实现了薄膜从母基板上可靠剥离的关键过程。由此产生的应变能释放速率超过了薄膜与基板之间的界面韧性，确保了薄膜的完整转移，避免了化学湿法蚀刻可能带来的薄膜损伤风险。
这一技术不仅能够将金属薄膜及高温处理过的薄膜以多样化的图案形状转移到柔性和可拉伸的基板上，还为二维柔性/可拉伸设备以及三维多功能体系结构的制造提供了可行途径。
该工作发表在Nature Materials上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01931-y
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