清華大學張瑩瑩教授《自然·通訊》：收縮-轉移輔助印刷策略，實現纖維表面微電路制造

隨著可穿戴電子設備的快速發展，一維纖維基架構因其固有的靈活性、空間緊湊性和制造適應性，成為下一代柔性電子的重要平臺。然而，彎曲的纖維基底與傳統平面光刻/印刷技術之間的幾何不兼容性，一直阻礙著在纖維上制造高密度微電路的發展。這一長期存在的技術挑戰限制了纖維電子器件的功能集成和應用拓展。

針對這一難題，清華大學張瑩瑩教授團隊開發了一種收縮-轉移輔助印刷（STAP）策略，通過收縮液態共晶鎵銦（EGaIn）電路并將其轉移到彎曲的纖維表面，成功橋聯了二維平面電路制造與一維纖維器件構建之間的鴻溝。該技術通過可擴展的絲網印刷實現了高達80%的收縮率和60微米的分辨率，并采用毛細管驅動的轉移工藝實現了電路在纖維上的360°共形覆蓋。所得纖維器件在16,000次彎曲循環后仍保持機械魯棒性，研究團隊還演示了具有獨立尋址像素的電致發光纖維顯示系統。相關論文以“Shrinkage-transfer-assisted printing of microcircuits on fibers”為題，發表在

Nature Communications

STAP工藝包含兩個關鍵步驟：受控收縮和共形轉移（圖1a）。首先，將有機硅基底（Ecoflex薄膜）進行全方位預拉伸并固定在框架上，然后通過絲網印刷將EGaIn電路印刷到拉伸的基底上。釋放張力后基底收縮，導致電路尺寸均勻減小，形成微電路。隨后，使用水溶性聚乙烯醇（PVA）載體膜將微電路共形轉移到目標纖維上。PVA層溶解后，EGaIn微電路完整保留并附著在纖維表面。為展示功能性應用，研究團隊在纖維上噴涂了由ZnS:Cu顆粒分散在SEBS基質中組成的電致發光層，實現了具有獨立尋址像素的發光陣列（圖1b）。收縮率可精確控制，實現高達80%的面積縮減，同時保持結構完整性和圖案保真度（圖1c）。這些微電路可沿米級連續纖維的任意位置制造（圖1d），并實現360°全周覆蓋，最大化功能器件集成的可用表面積（圖1e）。在脈沖電壓激勵下，微電路中產生的高電場驅動像素的電致發光功能，通過優化微電路內的電極間距，可在保持足夠發光電場的同時避免介電擊穿（圖1f）。

圖1 | STAP工藝及所得電致發光纖維器件示意圖。 a，用于制造EGaIn微電路的收縮和轉移過程。b，在纖維上構建EGaIn微電路和EL陣列，包括交流激發下的能帶圖（CB：導帶；VB：價帶）。c，收縮前后Ecoflex薄膜上EGaIn電路的光學圖像（面積收縮80%）。d，連續纖維上微電路的照片。e，旋轉視圖和彎曲演示展示器件靈活性。f，在纖維上工作的EL像素。

可絲網印刷的導電油墨對于制造EGaIn微電路至關重要。研究團隊開發了一種水性EGaIn/絲膠蛋白油墨，由熔點為16°C的EGaIn作為導電組分，絲膠蛋白作為穩定劑（圖2a）。通過高速共混將EGaIn分散為EGaIn微粒（EMPs），絲膠蛋白通過氫鍵和配位作用穩定吸附在EMP表面，形成物理屏障（圖2b）。絲膠蛋白在中性水溶液中帶負電，誘導涂覆絲膠蛋白的EMP之間產生靜電排斥，這種空間位阻和靜電穩定效應使EMP能在水中分散超過一周而不團聚（圖2c）。微觀和光譜表征證實了EMP與絲膠蛋白之間的相互作用（圖2d-g）。EMPs的尺寸可通過改變共混時間調節，平均直徑約3微米，適合順利通過絲網網孔（圖2h）。Zeta電位測量顯示EGaIn/絲膠蛋白復合物比純絲膠蛋白溶液具有更負的表面電荷（圖2i），流變學分析表明EGaIn/絲膠蛋白體系表現出顯著的剪切稀化行為（圖2j），這是高分辨率絲網印刷的關鍵要求。

圖2 | 可絲網印刷EGaIn/絲膠蛋白油墨的開發與表征。 a，通過高速共混機制備絲膠蛋白和EGaIn油墨的示意圖。b，絲膠蛋白與EGaIn之間界面相互作用的圖示。c，展示EGaIn/絲膠蛋白油墨高膠體穩定性的照片。d，EMPs的SEM圖像和相應EDS元素映射，顯示O、N和S的均勻分布。e，TEM圖像揭示絲膠蛋白包覆EMPs的核殼結構。f，純絲膠蛋白和EGaIn/絲膠蛋白復合物的FT-IR光譜，表明氫鍵形成。g，絲膠蛋白和EGaIn/絲膠蛋白的S 2p XPS表征，揭示絲膠蛋白中硫原子與EGaIn之間的相互作用。h，剪切時間與EMP尺寸之間的關系（n=962、2536、1852、4342、4760和5516，對應1至6分鐘，誤差線表示標準差）。i，EGaIn/絲膠蛋白和絲膠蛋白水分散體的Zeta電位。j，絲膠蛋白和EGaIn/絲膠蛋白的粘度流動曲線。

STAP策略集成了兩種原位燒結機制，無需外部干預。第一種是收縮誘導燒結（圖3a-f）：在基底收縮過程中，EMPs與基底之間的摩擦力超過顆粒殼的機械強度，導致殼破裂和EGaIn融合。預拉伸比越大，壓縮力越強，導電性越高。第二種是轉移燒結機制（圖3g-i）：在將收縮的EGaIn微電路從有機硅基底轉移到PVA膜時，競爭性界面粘附導致氧化物殼破裂，引發液態金屬聚結。PVA與EMP之間更強的親和力導致EGaIn電路優先轉移到PVA表面。雙階段燒結過程中，激光共聚焦顯微鏡揭示了形態演變和間隙變窄，證實STAP策略協同結合了電路小型化和導電性恢復，同時不損害結構完整性（圖3i）。STAP實現的最終分辨率由初始絲網印刷精度和EMPs在有機硅平臺上的收縮行為決定（圖3j-k）。

圖3 | EGaIn微電路收縮和轉移過程中的原位燒結機制。 a，等離子體處理使Ecoflex表面親水化。b，等離子體處理時間對電路圖案印刷質量和附著力的影響。c，基底收縮過程中EGaIn電路導電性的自發恢復。d，原位SEM觀察顯示壓縮收縮誘導的EMPs燒結。e，釋放預拉伸Ecoflex膜過程中EGaIn電路的電阻變化（初始電路尺寸：40 mm × 1.5 mm × 20 μm）。f，電路最終電阻作為預拉伸比的函數，表明更大的預拉伸比導致更低的電阻。g，微電路從Ecoflex到PVA膜的轉移過程。h，SEM圖像顯示轉移過程中的燒結機制。i，EGaIn微電路在收縮和轉移過程中的形態演變。j，定義成功電導率重建的參數范圍的相圖。k，收縮前后電路圖案的光學對比。一粒米作為參考。

毛細管驅動的轉移過程實現了EGaIn微電路在纖維基底上的精確共形包覆（圖4a）。當水滴引入PVA膜與纖維之間的界面時，毛細管力誘導液體沿纖維的軸向和周向徑向傳播，同時溶解PVA基質并促進界面粘附（圖4b）。這種轉移過程在不同程度的尺寸縮減下均適用，收縮率從50%到80%的EGaIn微電路在轉移后保持結構完整性和圖案保真度（圖4c），可實現低至60微米的特征尺寸（圖4d）。徑向間隙分析顯示，在整個360°圓周上尺寸變化≤5%（圖4e），證實了轉移過程的非破壞性。所得纖維器件表現出優異的機械柔順性，在1.6厘米曲率半徑下經歷16,000次彎曲循環后電阻僅增加1.4%（圖4f）。通過STAP過程調控的EGaIn微電路收縮率直接決定纖維器件的性能，隨著收縮率從50%增加到80%，電容提高了103倍（圖4g）。通過精確控制收縮率優化了電致發光像素的性能，有限元模擬確定了激活ZnS:Cu顆粒所需的最小電場為2 kV/mm（圖4h），實驗表明在50-60微米的間隙距離下實現峰值亮度（圖4i）。基于這些設計原則，研究團隊成功在纖維上制造了EL像素陣列（圖4j），設計了(2n-3)個接觸點來獨立尋址n個EL像素（圖4k），通過指定觸點可實現選擇性像素激活（圖4l），實現了單根纖維上的多路顯示。

圖4 | 電致發光纖維器件的構建與性能。 a，圖像顯示毛細管驅動的轉移過程。b，毛細管驅動轉移過程的機制。c，不同收縮率（50%、60%、70%和80%）下纖維上微電路的圖像。d，纖維上寬度為60 μm的微電路線。e，毛細管驅動轉移過程后纖維表面均勻的電極間隙寬度保持（n=3，誤差線表示標準差）。f，纖維在彎曲半徑為16 mm、頻率1 Hz的循環彎曲變形下（上）和不同彎曲半徑下（下）的電阻相對變化。溫度20°C，相對濕度50%。g，不同收縮率下叉指微電路的電容。h，不同間隙寬度電極的模擬電場分布。i，實驗發射強度與模擬電場激發面積之間的相關性。j，彎曲狀態下EL纖維器件的柔韌性。k，獨立可尋址單像素控制的電路設計。l，工作的單點可控EL纖維器件的光學圖像。

總結而言，這項研究開發的STAP策略為纖維器件制造提供了通用方法，結合了傳統二維平面電路制造的可擴展性與EGaIn的流體特性，實現了微電路在高度彎曲纖維表面的無裂紋小型化和共形集成。該方法有效解決了纖維小直徑、高長徑比和彎曲形態帶來的基本挑戰，實現了低至60微米的特征分辨率和35微米的電極間隙，以及卓越的機械耐久性。STAP策略不僅在尺度上（從毫米到微米特征）架起了橋梁，也在維度上（從二維到一維）實現了跨越，為纖維電子學提供了多功能且可擴展的制造方法。未來，將STAP發展為工業化制造工藝需要解決幾個關鍵挑戰：適應更細纖維直徑的墨水配方和基底工程、開發自動化拉伸系統以提高可重復性、實現連續制造吞吐量的工程創新，以及跨不同材料系統標準化工藝參數和表征協議。通過應對這些挑戰，STAP有望從實驗室技術發展為生產高性能、無縫集成纖維基器件的實用制造工藝。