期刊基本信息
创刊:
1974年 • 半月刊
名称:
中国激光
英文:
Chinese Journal of Lasers
主管单位:
中国科学院
主办单位:
中国科学院上海光机所
中国光学学会
出版单位:
中国激光杂志社
主编:
李儒新
执行主编:
罗毅
副主编:
骆清铭 张镇西 李学春 陈岐岱 顾冬冬 周朴
ISSN:
0258-7025
刊号:
CN 31-1339/TN
电话:
021-69917051
邮箱:
地址:
上海市嘉定区清河路390号
邮编:
201800
定价:
155元/期
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青编委专辑 | 激光融合制造:柔性微纳传感“多面手”

发布:sll190125阅读:514时间:2024-3-4 14:13:58

青编委专辑 | 激光融合制造:柔性微纳传感“多面手”

作者:浙江大学徐凯臣、蔡子墨

【封面解读】随着健康医疗、人机交互等领域的蓬勃兴起,柔性电子技术已成为驱动智能发展的关键技术之一。激光加工作为一种先进制造方法,为各类柔性微纳器件的结构-材料-功能一体化制造开辟了新路径。封面展示了“激光制造柔性电子”这一概念,通过激光直写技术在柔性基底上实现多元功能器件(如互联电路、传感介质等)的制备,并应用在人机交互等场景中,充分展示出激光加工在柔性电子制造中的应用优势和潜力。

原文链接:蔡子墨, 匡翠方, 杨华勇, 洪明辉, 徐凯臣. 激光融合制造及在柔性微纳传感器的应用(特邀)[J]. 中国激光, 2024, 51(4): 0402403.

一、背景介绍

柔性微纳传感器作为柔性电子技术的重要体现形式,颠覆性改变了常规刚性器件的物理形态,极大促进人-机-环境三元互联,是助力智能电子发展的重要力量。目前,多种成熟工艺(包括物理/化学气相沉积、纳米压印、印刷法等)已被广泛应用于各类微纳器件制造,但在加工精度、生产成本、工艺流程等方面仍面临挑战。此外,随着柔性微纳传感器向小型化、集成化、智能化和定制化的方向发展,其对敏感材料的高效多功能制备和微纳结构的灵活可控制造提出了更高技术要求。

浙江大学杨华勇院士团队的徐凯臣研究员课题组提出“激光融合制造”这一概念,即基于激光增材、等材、减材及其复合加工模式,满足多功能柔性微纳传感在多尺度、多维度、多材料异构方面的制造需求,凭借高精度、非接触、机理丰富、灵活可控、高效环保、多材料兼容等特点突破传统制造在多任务、多线程、多功能复合加工中的局限,通过与物质相互作用实现跨尺度“控形”与“控性”,达到结构-材料-功能一体化制造与传感系统集成。

图1 基于激光增材、等材与减材加工的激光融合制造及在柔性微纳传感器的应用

本文聚焦激光融合制造,从全局视角讨论该工艺在柔性微纳传感器制造中的应用形式,依次介绍了激光增材、等材与减材三种制造方法,并重点分析加工机理与典型目标材料,突出了激光融合制造在柔性微纳传感中的技术优势。之后具体展示了激光融合制造在柔性物理、化学、电生理与多模态微纳传感器中的典型应用,并对相关研究及最新进展进行讨论。最后,针对该领域现存技术挑战与未来发展趋势进行总结与展望。

二、激光增材制造

激光增材制造,即利用激光作为局部能量源,将纳米前驱体材料加热熔融(还原),并经烧结、累加、逐层堆积形成功能结构。迄今为止,基于激光加工的增材制造技术已与各类纳米材料实现良好兼容,如纳米颗粒(NP)、纳米线(NW)、纳米管(NT)、纳米球等(图2)。 金属纳米油墨作为典型的纳米前驱体之一,主要包括以下几类:1)单元素金属纳米油墨:如Au、Ag、Cu、Zn纳米油墨等;2)金属氧化物纳米油墨:如CuO、NiO、Cu2O、ZnO纳米油墨等;3)核壳双金属纳米油墨;如Cu-Ag纳米油墨等;4)合金金属纳米油墨:如Cu-Ni合金纳米油墨、Au-Ag合金纳米油墨、液态金属合金纳米油墨等。

图2 激光增材制造技术特点及典型目标材料

三、激光等材制造

激光等材制造,即通过激光诱导界面反应,使材料在基本保持初始体量的同时改变其本征组织结构和物化特性。目前,基于激光加工的等材制造正广泛用于诱导改性碳基前驱体(如激光诱导石墨烯-LIG等),其生成产物具有良好力学性能与优异电化学特性,是柔性功能器件中最有前途的材料之一。而且,激光诱导碳化产物可转印至弹性聚合物(PDMS、Ecoflex、SEBS等),拓展了该技术的应用场景(图3)。 作为一种典型的等材制造方法,激光诱导碳基前驱体生成石墨烯及其衍生物将LIG合成和图案化一步融合,目前已拓展至包括含碳的多种聚合物(如PI、PEI、PAI、PEEK、PPS、PSU、PES、PPSU、PDMS、PR、PTFE等)、布料、纸张、食物、木材、树叶等前驱体中。

图3 激光等材制造技术特点及典型目标材料

四、激光减材制造

激光减材制造,即基于激光精确可控的热效应以及直接能量去除机制对材料进行热解、烧蚀、图案化刻写与微纳结构制造。其中,激光刻写/切割常用于获得特定轮廓形状图案和小尺寸、微型化器件;激光烧蚀/热解可实现高效、高质量去除材料,促进精密微加工;激光微纳织构可跨尺度形成多级复合结构,并动态调控材料的界面性能,如激光诱导周期表面结构(LIPSS技术)相较于烧蚀工艺可以生成更为复杂的表面纳米结构。基于激光加工的减材制造现被广泛应用于增强压力传感器性能、实现高分辨互联电路、构建微流控系统等功能元件(图4)。

图4 激光减材制造技术特点及典型目标材料

五、激光融合制造及在柔性微纳传感器的应用

通过上述多模式激光增、等、减材加工形式的复合联用,便能同时实现纳米材料的堆叠沉积、敏感介质的物化改性、图案化与微纳结构的精细直写等,从而满足多功能柔性微纳传感的一体化制造需求,为柔性物理、化学、电生理以及柔性多功能集成传感的全激光制造提供机遇(图5)。

图5 激光融合制造及在柔性多模态传感器的应用

六、总结与展望

激光融合制造涵盖了光学工程、材料科学、机械制造等多学科内容,以多脉冲、多波长激光为工具,充分集成增材、等材、减材多形式加工特点,将敏感单元的高效沉积、材料介质的诱导改性与微纳结构的精密制造融为一体,为实现高性能柔性微纳传感器提供了有效解决方案。 虽然激光融合制造正在不断丰富和拓宽柔性微纳传感器的加工渠道,然而面向实际应用场景,其发展仍存在许多挑战,包括制造精度、制造效率、加工材料多样性等。总之,激光融合制造将加速柔性微纳传感器的创新与迭代,开辟柔性电子制造新路径,拓展激光加工应用新场景。

【课题组介绍】

浙江大学柔性/生物电子制造课题组(Lab of Flexible & Bioelectronics Manufacturing, FBEM)隶属于杨华勇院士团队,是一个多学科高度交叉的研究小组,致力于复杂或极端环境下的可穿戴/植入式生物电子、曲面共体电子设计与制造,聚焦创新制造方法、多功能器件研制、以及系统集成应用。研究以激光融合制造技术为核心,基于多模式(超快)激光与物质相互作用机理,实现“结构-材料-功能"一体化集成创制,提升多功能微纳器件制造能力,并应用于穿戴式/植入式医疗电子、机器人柔性感知、高端装备等领域。

实验室自2021年初成立以来,已在Nature Electronics、Nano Letters、Advanced Science、Nano-Micro Letters、Nano Energy等期刊发表论文20余篇,授权中美日发明专利10余项,发明了激光诱导碳化超薄转印新工艺。欢迎具有机械、微纳制造、集成电路、光学、材料、微电子、生物医学等相关专业背景的本科生、硕士生、博士生、博士后加入课题组。

课题组中文主页:https://person.zju.edu.cn/xukc

课题组英文主页:http://xkczju.com/

【通信作者介绍】

徐凯臣,研究员,博导。入选国家级青年人才计划,日本学术振兴会(JSPS)特别研究员。现任职于浙江大学机械工程学院(杨华勇院士团队)。于2018年在新加坡国立大学获得博士学位,随后前往大阪公立大学从事博士后研究。主要从事多功能柔性/生物电子制造、激光微纳/原位制造研究。共发表论文40余篇,其中第一/通讯作者25篇,包括Nature Electronics, Advanced Materials, ACS Nano, Nano Letters等,封面/封底论文10篇,授权中美日专利10余项。主持或参与科技创新2030重大项目、国家自然科学基金、浙江省重大项目、浙江省尖兵计划等多项国家级、省部级项目。担任Opto-Electronic Engineering编委,以及多个期刊青年编委,获MINE优秀青年科学家奖,国家重点研发计划会评专家,为Nature Electronics等60余个期刊审稿200余次。

柔性/生物电子制造(FBEM)课题组部分研究工作导读:

1. 浙江大学徐凯臣/顾臻《Nature Electronics》:激光诱导可拉伸生物电子界面

2. 浙江大学徐凯臣/杨赓《Advanced Science》:机器学习辅助柔性触觉传感器设计与制造

3. 浙江大学徐凯臣/李铁风《Nano Letters》:激光直写柔性热式流量传感器