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May 30, 2023

Verwendung eines erstarrten flüssigen Metalls zum Aufbau flexibler 3D-Elektronik

Feature vom 23. Februar 2023 Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und dabei den Inhalt sichergestellt

Feature vom 23. Februar 2023

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

In den letzten Jahren haben Ingenieure und Materialwissenschaftler versucht, besonders vielversprechende Materialien für die Herstellung flexibler Elektronik unterschiedlicher Formen und Größen zu identifizieren. Letztendlich könnte diese Elektronik in tragbare Geräte (z. B. Smartwatches und medizinische Geräte zur Überwachung biologischer Signale), Softroboter und andere Systeme integriert werden.

Zu den vielen Arten von Materialien, die zur Herstellung dehnbarer Elektronik verwendet werden könnten, gehören flüssige Metalle auf Basis von Galliumlegierungen, bei denen es sich im Wesentlichen um Metallmischungen handelt, zu denen auch Gallium gehört. Flüssige Galliumlegierungen sind von Natur aus flüssig und hochleitfähig, zwei vorteilhafte Eigenschaften für die Herstellung weicher oder flexibler Elektronik.

Der Aufbau dreidimensionaler (3D) Schaltkreise mit flüssigen Metallen hat sich bisher jedoch als Herausforderung erwiesen. Dies hat den möglichen Strukturen, die mit flüssigen Galliumlegierungen erzeugt werden können, Grenzen gesetzt und deren breiten Einsatz für die Herstellung weicher und dehnbarer elektronischer Geräte behindert.

Forscher des Harbin Institute of Technology und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich flexible Elektronik mit 3D-Schaltkreisen aus einer flüssigen Gallium-Indium-Legierung hergestellt. Ihr in Nature Electronics veröffentlichter Artikel identifiziert eine Galliumlegierung mit geeigneten Eigenschaften für die Entwicklung flexibler Elektronik, einschließlich eines Fest-Flüssig-Phasenübergangs, mechanischer Festigkeit und einer guten Plastizität im festen Zustand.

„Wir zeigen, dass eine Gallium-Indium-Legierung zur Herstellung flexibler Elektronik mit 3D-Schaltkreisen verwendet werden kann, indem der Fest-Flüssig-Phasenübergang und die plastische Verformung des flüssigen Metalls ausgenutzt werden“, schreiben Guoqiang Li und seine Kollegen in ihrer Arbeit.

Um flexible Elektronik aus ihrer Gallium-Indium-Legierung Ga10In herzustellen, kühlten die Forscher zunächst eine große Probe der Legierung auf niedrige Temperaturen ab. Dieser Prozess ermöglichte es ihnen, das Material anschließend zu massiven Metalldrähten und -blechen zu formen.

„Feste, aber plastisch verformbare Legierungsdrähte werden bei niedrigen Temperaturen (unter 15 Grad Celsius) zu Schaltkreisen geformt und in ein Elastomer eingekapselt, bevor sie über ihre Schmelztemperatur erhitzt werden“, erklärten Li und seine Kollegen in ihrer Arbeit. „Anschließend ermöglicht der Unterkühlungseffekt, dass die Legierung in einem weiten Temperaturbereich, auch unterhalb des Schmelzpunkts, einen flüssigen Zustand beibehält.“

Indem das Team die vorgefertigten Flüssigmetallstrukturen in ein Elastomer einkapselte und auf über 22,7 Grad Celsius erhitzte, stellte das Team sicher, dass diese Strukturen ihre Fließfähigkeit wiedererlangten. Das Ergebnis des Prozesses ist ein dehnbares flüssiges Metall, das Strom leitet und so zur Herstellung flexibler elektronischer Komponenten verwendet werden kann.

„Wir verwenden die Technik zur Herstellung hochempfindlicher Dehnungssensoren, dreidimensionaler Verbindungsbögen zur Integration einer Reihe von Leuchtdioden (LEDs) sowie eines dreidimensionalen tragbaren Sensors und einer mehrschichtigen flexiblen Leiterplatte zur Überwachung der Fingerbewegung“, sagte der schrieben Forscher in ihrer Arbeit.

Die von Li und seinen Kollegen geschaffenen Legierungsstrukturen haben sich in ersten Tests als sehr vorteilhaft für die Entwicklung flexibler Elektronik erwiesen. Um ihre potenziellen Anwendungen in der Elektronik zu demonstrieren, nutzte das Team diese Strukturen, um verschiedene Elektronikgeräte zu entwickeln, darunter einen Dehnungssensor, Verbindungen für die Integration von LEDs und ein elektronisches System zur Überwachung von Fingerbewegungen.

In Zukunft könnte die neue vorgeschlagene Strategie zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Basis einer Gallium-Indium-Legierung zur Herstellung ähnlicher Flüssigmetallstrukturen auf der Basis anderer Legierungen und Materialien genutzt werden. Darüber hinaus könnten die von Li und seinen Kollegen geschaffenen Legierungsstrukturen bald zur Herstellung dehnbarer Elektronik verwendet werden, darunter Komponenten für tragbare Geräte und weiche Robotersysteme.

Mehr Informationen: Guoqiang Li et al., Dreidimensionale flexible Elektronik unter Verwendung von verfestigtem Flüssigmetall mit regulierter Plastizität, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-022-00914-8.

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