一种双材料刚度调控驱动的柔性电子转印方法

摘要

本发明公开了一种双材料刚度调控的柔性电子转印方法，印章由不同模量材料组成，借助侧向辅助位移载荷和材料刚度调控使得印章的表界面产生大曲率局部变形，有效减弱多材料印章/电子器件间接触面积和界面粘性，提高转印成功率。本方法通过改变印章两侧辅助载荷调控界面粘性强弱转变，与微结构辅助转印相比，不受限于微结构初始设计尺寸，具有较宽的材料应用范围；本方法调控手段为力学位移载荷，无须引入温度/形状记忆合金和表界面化学处理，无须对转印速度施加控制。本方法工艺简单，成本低廉，具有可编程、可重复、可逆和尺度无关性，转印材料尺度从纳米到宏观尺度。本方法契合工业控制流程，工业集成度高，可应用于批量化生产。

权利要求

1.一种双材料刚度调控的柔性电子转印方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用具有不同属性的两种材料制备印章，两种材料分别为高模量固体和低模量材料；

所述的低模量材料为固体或流体；

(2)移动印章使低模量材料区域与电子器件对齐，引入预压力使印章与电子器件接触，增强印章与电子器件间界面粘性，使印章/电子器件材料界面粘性强于电子器件/受体界面粘性；

(3)向上提起印章，印章与电子器件的界面粘性使得电子器件与供体基体脱粘，转移至印章表面；

(4)移动印章使粘附在印章上的电子器件对齐并贴合受体基体，引入侧向辅助位移载荷，使印章在低模量材料区域发生大曲率变形，印章与电子器件间接触面积和界面粘性减弱；

(5)维持侧向辅助位移载荷的同时，向上提起印章，印章与电子器件的弱界面粘性使电子器件与印章脱粘，印刷至受体基体表面。

2.根据权利要求1所述的一种双材料刚度调控的柔性电子转印方法，其特征在于，步骤(1)中，不同属性是指材料不同的拉伸模量。

3.根据权利要求1或2所述的一种双材料刚度调控的柔性电子转印方法，其特征在于，所述的低模量材料为固体时，低模量材料沿竖向分布过多对界面强弱粘性调控影响少，其最优布局由拓扑优化算法给出；所述的低模量材料为流体时，与高模量固体并列分布。

4.根据权利要求3所述的一种双材料刚度调控的柔性电子转印方法，其特征在于，所述的高模量固体为PDMS或Ecoflex。

5.根据权利要求1所述的一种双材料刚度调控的柔性电子转印方法，其特征在于，所述的流体为水凝胶、离子液或普通液体。

6.根据权利要求1、2或4所述的一种双材料刚度调控的柔性电子转印方法，其特征在于，所述的印章与电子器件界面粘性强弱调控的策略为通过侧向辅助载荷使低模量材料区承受主要变形产生局部大曲率。

说明书

一种双材料刚度调控驱动的柔性电子转印方法

技术领域

[0001] 本发明属于柔性电子及微纳米加工技术领域，涉及一种双材料刚度调控驱动的柔性电子转印方法。技术背景

[0002] 柔性电子技术，是指将功能性电子器件制作在柔性基体上，使电子器件在保留其功能性的同时实现拉伸、弯曲和扭转变形，适应复杂工作环境要求，在柔性显示、柔性传感、可穿戴设备和机器人等领域，应用前景十分广阔。转印是柔性电子制备的重要技术，是一种将功能性电子器件从供体(制备)基体转移到受体(应用)基体的方法。转印共包括拾取和印刷两个步骤，在拾取阶段，印章/电子器件的界面粘性大于供体/电子器件的界面粘性，此时电子器件与供体基体脱粘，被转移至印章上；在印刷阶段，印章/电子器件层的界面粘性小于受体/电子器件的界面粘性，此时电子器件与印章脱粘，被印刷至受体基体上。转印过程属于断裂力学的范畴，涉及界面强弱黏附转换能力。成功的转印就是要既能“拿得起”将器件从供体基体上取出，又要“放得下”将器件成功印刷至受体基体。已有转印方法包括：表面化学和胶粘合转印方法，通过表面化学处理或者使用胶水改变界面粘合强度；微结构辅助转印方法，通过压力控制表面微结构的接触面积从而控制黏附强度；动力学控制转印方法，通过控制剥离速度来改变界面强弱黏附完成转印等。现有转印方法多依赖单一材料设计，界面粘附强度调控能力有限，限制了转印的应用材料范围和转印良品率。

发明内容

[0003] 本发明针对上述问题提出了一种双材料刚度调控驱动的柔性电子转印方法，采用具有不同材料属性的两种材料制备转印印章，拾取阶段印章与电子器件充分接触保证较强的界面粘性，使得电子器件从供体上脱离，印刷阶段，在两侧辅助载荷作用下，印章中低模量材料区域承担主要变形，在与电子器件接触的印章下表面出现大曲率局部变形，有效降低了印章/电子器件界面粘性，使得电子器件从印章脱离并印刷至受体基体，完成转印。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

[0005] 一种双材料刚度调控驱动的柔性电子转印方法，包括以下步骤：

[0006] (1)使用具有不同属性的两种材料制备印章，两种材料分别为高模量固体和低模量材料；所述的高模量材料为固体，所述的低模量材料为固体或流体；

[0007] (2)移动印章使低模量材料区域与电子器件对齐，引入预压力使印章与电子器件接触，增强印章与电子器件间界面粘性，使印章/电子器件材料界面粘性强于电子器件/受体界面粘性；

[0008] (3)向上提起印章，印章与电子器件的强界面粘性使得电子器件与供体(制备)基体脱粘，转移至印章表面；

[0009] (4)移动印章使粘附在印章上的电子器件对齐并贴合受体基体，引入侧向辅助位移载荷，使印章在低模量材料区域发生较大曲率变形，印章与电子器件间接触面积和界面粘性大幅减弱；

[0010] (5)维持侧向辅助位移载荷的同时，向上提起印章，印章与电子器件的弱界面粘性使得电子器件与印章脱粘，印刷至受体(应用)基体表面。

[0011] 低模量材料为固体时，低模量材料沿竖向分布过多对界面强弱粘性调控影响少，其最优布局可由拓扑优化算法给出；低模量材料为流体或拟流体时，与高模量固体并列分布。

[0012] 不同材料属性是指材料不同的拉伸模量。

[0013] 所述的高模量固体可以为PDMS或Ecoflex。

[0014] 所述的低模量流体可以为水凝胶、离子液或普通液体。

[0015] 本发明公开一种双材料刚度调控的柔性电子转印方法，包括双材料印章、电子器件、供体(制备)基体和受体(应用)基体。印章由不同材料组成，借助侧向辅助位移载荷和不同模量材料刚度调控设计使得印章的表界面产生较大曲率局部变形，有效减弱印章/电子器件界面接触面积和界面粘性，提高转印成功率和良品率。与界面微结构辅助转印相比，本方法通过改变印章两侧辅助载荷调控界面粘性强弱转变，不受制于微结构初始设计尺寸，具有较宽的材料应用范围和可编程性、可重复性、可逆性和尺寸无关性；本方法调控手段为力学位移载荷，无须引入温度/形状记忆合金和表界面化学处理，无须对转印速度施加控制，工艺简单，成本低廉，契合工业控制流程，不会引起温度应力造成性能降低；本方法结构简单，制备方便，适应于众多转印器件材料和基体材料。

附图说明

[0016] 图1是基于高模量固体与低模量液体双材料的转印印章示意图；

[0017] 图2是对固液双材料印章施加预压力确保印章与电子器件有较大的接触面积和强界面粘性示意图；

[0018] 图3是提起印章使电子器件与供体(制备)基体脱粘并转移至印章表面示意图[0019] 图4是对印章两侧施加侧向辅助位移载荷，印章低模量材料区域产生大曲率变形，有效减弱印章与电子器件的接触面积和界面粘性示意图；

[0020] 图5是提起印章使得电子器件印刷至受体(应用)基体示意图；

[0021] 图6是基于高拉伸模量固体和低模量固体双材料的转印印章示意图，低模量材料的构型由拓扑优化算法给出；

[0022] 图7是对不同模量双材料固体印章施加预压力确保印章与电子器件有较大的接触面积和强界面粘性示意图；

[0023] 图8是提起印章使电子器件与供体(制备)基体脱粘并转移至印章表面示意图[0024] 图9是对印章两侧施加侧向辅助位移载荷，印章低模量材料区域产生大曲率变形，有效减弱印章与电子器件接触面积和界面粘性示意图；

[0025] 图10是对印章施加较弱的预应力，确保印章与电子器件接触和弱界面粘性；

[0026] 图11是提起印章使得电子器件印刷至受体(应用)基体示意图；

[0027] 图中：1高模量材料；2低模量材料；3电子器件；4供体基体；5受体基体。

具体实施方式

[0028] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的实施方式。

[0029] 请参考图1，图1是双材料刚度调控下的一种基于高模量固体和低模量流体的双材料印章设计示意图，低模量流体为水凝胶，在高模量固体和低模量流体组成的双材料印章上下表面覆以较薄的薄膜封装低模量流体，防止液体泄漏。封装薄膜可采用高模量固体材料，保证与单材料印章具有相同的界面粘性；对应的转印实施方式为：

[0030] (1)如图2所示，移动固液双材料印章，使供体(制备)基体上的电子器件点阵与双材料印章低模量材料区域对齐；对双材料印章施加向下方向的预应力确保印章与电子器件有较大的接触面积和强界面粘性；

[0031] (2)如图3所示，提起固液双材料印章，使电子器件与供体(制备)基体脱粘并被转移至印章下表面；

[0032] (3)如图4所示，将拾取电子器件后的固液双材料印章与受体(应用)基体接触，并对固液双材料印章施加侧向辅助载荷，印章低模量材料区域产生大曲率变形，有效减弱印章与电子器件接触面积和界面粘性；

[0033] (4)如图5所示，提起固液双材料印章，使得电子器件与印章脱粘并被印刷至受体(应用)基体；

[0034] 请参考图6，图6是双材料刚度调控下的又一种基于高模量固体和低模量固体的双材料印章设计示意图。高模量固体可以为PDMS，低模量固体可以为Ecoflex。高模量固体和低模量固体并列分布，但高度上分布过多的低模量固体对印章下表面变形影响较少，因此，本发明基于拓扑优化算法给出低模量固体最优布局，如图6所示。在高模量固体和低模量固体组成的双材料印章下表面覆以较薄的高模量固体层保证与单材料印章具有相同的界面粘性；基于高模量固体和低模量固体的双材料印章的转印实施方式为：

[0035] (1)如图7所示，移动不同模量固体双材料印章，使供体(制备)基体上的电子器件点阵与双材料印章低模量材料区域对齐；对双材料印章施加向下方向的预应力确保印章与电子器件较大的接触面积和强界面粘性；

[0036] (2)如图8所示，提起不同模量固体双材料印章，使电子器件与供体(制备)基体脱粘并被转移至印章表面；

[0037] (3)如图9所示，对拾取电子器件后的不同模量固体双材料印章施加侧向辅助载荷，印章低模量材料区域产生大曲率变形，有效减弱印章与电子器件接触面积和界面粘性；

[0038] (4)如图10所示，将变形后的不同模量固体双材料印章与受体(应用)基体接触，并施加较低的预压力，使得电子器件与受体(应用)基体表面接触；

[0039] (5)如图11所示，提起不同模量固体双材料印章，使得电子器件与印章脱粘并被印刷至受体(应用)基体。