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Nature液态金属印刷柔性电子在透明显示器应用的前景
透明导电氧化物（TCO）由于其独特的电子带结构而具有很高的应用价值，这使得它们具有高导电性和透明性。当前，TCO广泛应用于液晶显示器、有机发光二极管（LED）、触摸感应屏中的透明电极、光电器件、太阳能电池、电致变色窗口等领域。其中，氧化铟锡是已在工业上使用了几十年的主要TCO，但是它通常是使用基于真空的物理气相沉积技术来制备的，该技术依赖于真空技术和批处理，成本很高且产物薄膜易碎。
近期发表在NatureElectronics杂志上题为“Flexibletwo-dimensionalindiumtinoxidefabricatedusingaliquidmetalprintingtechnique”的文章，来自皇家墨尔本理工大学的DornaEsrafilzadeh团队。
在这里，DornaEsrafilzadeh团队报道了使用低温印刷技术以晶圆级规模制造厚度仅为几个原子的ITO薄板的过程，基于该方法分别使用单次或两次印刷获得的单层和双层ITO。通过将陶瓷材料的厚度减小到只有几个原子，大大提高了材料的柔韧性，从而使其能够克服ITO的现有限制之一，即ITO在弯曲时会变脆。已开发的二维ITO片具有高导电性和柔韧性，同时吸收的可见光比单层和双层石墨烯少5-10倍。
图1二维ITO印刷工艺的原理图和LED演在该研究中，DornaEsrafilzadeh团队工艺使用可用于液态金属印刷工艺的低熔点铟锡合金，在晶圆级上沉积2DITO。近年来，液态金属已被引入作为反应介质，以促进大面积二维氧化物的形成。低熔点的后过渡金属在空气中经历自限性Cabrera-Mott氧化，容易形成纳米薄表面氧化物。当金属处于液态时，表面氧化物对母体金属的附着力最小，从而允许使用范德华转移技术将生长的氧化物片转移到所需的基材上。基于这一原理，将一小滴液态金属滴到所需的基底上，然后从顶部挤压第二个基底，从而实现将液滴散布到整个所需区域（如图1所示）。并且，DornaEsrafilzadeh团队研究了许多具有不同锡含量的不同合金成分，并使用四点探针测量法确定了薄层电阻。观察到沉积膜的薄层电阻首先随着锡含量的增加而降低，然后在锡浓度超过5％之后又增加了薄层电阻（图2a）。X射线样品的X射线光电子能谱（XPS）分析表明，氧化物中的锡浓度比母合金中的锡浓度稍高，对于薄层电阻最低的氧化物，锡的Sn4+浓度达到7.4％。
图2二维ITO纳米片的材料表征为了评估通过重复印刷降低薄层电阻的可能性，使用最优化的合金成分，在先前沉积的2DITO薄片的顶部印刷第二层ITO的第二层。这些双层样品的薄层电阻降低至5.4kΩ-1，这明显低于单层的薄层电阻（69.6kΩ-1），同时在可见光谱范围内保持99.3％的透明度。如所预期的，双层的组成类似于单层的组成。双层的薄层电阻可与设计用于显示器和触摸屏的市售TCO相媲美，而光吸收则少10倍以上。
图3二维ITO片的形态和晶体表征由于液态合金的低熔点，沉积过程与诸PI的耐高温聚合物相容。DornaEsrafilzadeh团队制造了两端电阻器件，并对其进行了反复的机械弯曲，使其半径分别为3、2.5和2.0mm（图4）。将每个半径的总共1,个弯曲循环应用于设备，并对2DITO板进行总共3,个机械弯曲循环。令人放心的是，经过3,次循环后，ITO层的电阻增加了不足3.5％。为了进行比较，对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）样品上的市售ITO进行了相同的测试。小的曲率半径和强大的电子性能表明，开发的2DITO片有望在柔性光电设备中应用，并有望与卷对卷处理兼容。
图4印在PI基材上的2DITO柔性的表征使用两厘米大小的印刷单层ITO片开发了原型透明电容式触摸屏，该ITO片沉积在单个玻璃基板的两侧（如图5所示）。四个金电极以正方形排列沉积在触摸屏的正面，而单个电极固定在背面。然后，使用物理粘附到表面的PET薄膜保护设备的整个正面。PET膜既充当保护涂层又充当绝缘体。当手指或金属针等导电物体靠近设备的正面时，设备的电容会发生变化，从而可以有效地进行触摸检测。在此，电容变化的大小取决于触摸位置与前电极的距离。然后，通过测量观察到的所有四个电极的电容变化，可以对位置进行三角测量，从而实现具有x–y分辨率的触摸检测。
图5二维ITO在电容式触摸屏中的应用
基于液态金属氧化沉积得到的片材厚度约为1.5nm，使ITO具有高度的柔韧性，并经过1次弯曲至2mm半径的循环后，导电性损失最小。这一制造方法为光电子设备的未来卷式制造和基于ITO的柔性电子设计提供了希望。此外，重复打印将导致2DITO双层，其薄层电阻为5.4kΩ-1，透明度为99.3％，完全可与用于显示器和触摸屏行业的商用TCO基板相媲美，而可见光谱中的光损耗则低了一个数量级。
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