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Nous démontrons ici les propriétés de mouillage induites par l'imbibition, spontanées et sélectives des alliages de métaux liquides à base de gallium sur des surfaces métallisées présentant des caractéristiques topographiques à l'échelle microscopique.Les alliages de métaux liquides à base de gallium sont des matériaux étonnants dotés d’une énorme tension superficielle.Il est donc difficile de les transformer en films minces.Un mouillage complet de l'alliage eutectique de gallium et d'indium a été obtenu sur la surface du cuivre microstructuré en présence de vapeurs de HCl, ce qui a éliminé l'oxyde naturel de l'alliage métallique liquide.Ce mouillage est expliqué numériquement sur la base du modèle de Wenzel et du processus d'osmose, montrant que la taille de la microstructure est essentielle pour un mouillage efficace des métaux liquides induit par l'osmose.De plus, nous démontrons que le mouillage spontané des métaux liquides peut être dirigé sélectivement le long de régions microstructurées sur une surface métallique pour créer des motifs.Ce processus simple recouvre et façonne uniformément le métal liquide sur de grandes surfaces sans force externe ni manipulation complexe.Nous avons démontré que les substrats à motifs en métal liquide conservent les connexions électriques même lorsqu'ils sont étirés et après des cycles d'étirement répétés.
Les alliages de métaux liquides à base de gallium (GaLM) ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs propriétés attrayantes telles qu'un faible point de fusion, une conductivité électrique élevée, une faible viscosité et un faible écoulement, une faible toxicité et une déformabilité élevée1,2.Le gallium pur a un point de fusion d'environ 30 °C et lorsqu'il est fusionné dans des compositions eutectiques avec certains métaux tels que In et Sn, le point de fusion est inférieur à la température ambiante.Les deux GaLM importants sont l'alliage eutectique gallium indium (EGaIn, 75 % Ga et 25 % In en poids, point de fusion : 15,5 °C) et l'alliage eutectique gallium indium étain (GaInSn ou galinstan, 68,5 % Ga, 21,5 % In et 10 % étain, point de fusion : ~11 °C)1.2.En raison de leur conductivité électrique en phase liquide, les GaLM font l'objet d'études actives en tant que voies électroniques de traction ou déformables pour diverses applications, notamment les capteurs électroniques3,4,5,6,7,8,9 contraints ou incurvés10, 11, 12. , 13, 14 et les dérivations 15, 16, 17. La fabrication de tels dispositifs par dépôt, impression et modelage à partir de GaLM nécessite la connaissance et le contrôle des propriétés interfaciales de GaLM et de son substrat sous-jacent.Les GaLM ont une tension superficielle élevée (624 mNm-1 pour EGaIn18,19 et 534 mNm-1 pour Galinstan20,21), ce qui peut les rendre difficiles à manipuler.La formation d'une croûte dure d'oxyde de gallium natif sur la surface du GaLM dans des conditions ambiantes fournit une coque qui stabilise le GaLM dans une forme non sphérique.Cette propriété permet au GaLM d'être imprimé, implanté dans des microcanaux et structuré avec la stabilité interfaciale obtenue par les oxydes19,22,23,24,25,26,27.La coque en oxyde dur permet également au GaLM d'adhérer à la plupart des surfaces lisses, mais empêche les métaux à faible viscosité de circuler librement.La propagation du GaLM sur la plupart des surfaces nécessite une force pour briser la coque d'oxyde .
Les coquilles d'oxyde peuvent être éliminées avec, par exemple, des acides ou des bases forts.En l'absence d'oxydes, le GaLM forme des gouttes sur presque toutes les surfaces en raison de leur énorme tension superficielle, mais il y a des exceptions : le GaLM mouille les substrats métalliques.Ga forme des liaisons métalliques avec d'autres métaux grâce à un processus connu sous le nom de « mouillage réactif »30,31,32.Ce mouillage réactif est souvent examiné en l'absence d'oxydes de surface pour faciliter le contact métal sur métal.Cependant, même avec les oxydes natifs du GaLM, il a été rapporté que des contacts métal sur métal se forment lorsque les oxydes se rompent au contact de surfaces métalliques lisses29.Le mouillage réactif entraîne de faibles angles de contact et un bon mouillage de la plupart des substrats métalliques33,34,35.
À ce jour, de nombreuses études ont été réalisées sur l'utilisation des propriétés favorables de mouillage réactif du GaLM avec des métaux pour former un motif GaLM.Par exemple, GaLM a été appliqué sur des pistes métalliques solides à motifs par étalement, laminage, pulvérisation ou masquage d'ombres.Cependant, la tension superficielle élevée du GaLM empêche la formation de films minces très uniformes, même sur des substrats métalliques.Pour résoudre ce problème, Lacour et al.ont rapporté une méthode permettant de produire des films minces GaLM lisses et plats sur de grandes surfaces en évaporant du gallium pur sur des substrats microstructurés recouverts d'or 37,39.Cette méthode nécessite un dépôt sous vide, qui est très lent.De plus, le GaLM n’est généralement pas autorisé pour de tels dispositifs en raison d’une possible fragilisation40.L'évaporation dépose également le matériau sur le substrat, un motif est donc nécessaire pour créer le motif.Nous recherchons un moyen de créer des films et des motifs GaLM lisses en concevant des éléments métalliques topographiques que GaLM mouille spontanément et sélectivement en l'absence d'oxydes naturels.Nous rapportons ici le mouillage sélectif spontané de l'EGaIn sans oxyde (GaLM typique) en utilisant le comportement de mouillage unique sur des substrats métalliques structurés photolithographiquement.Nous créons des structures de surface définies photolithographiquement au niveau micro pour étudier l'imbibition, contrôlant ainsi le mouillage des métaux liquides sans oxyde.Les propriétés mouillantes améliorées de l'EGaIn sur les surfaces métalliques microstructurées sont expliquées par une analyse numérique basée sur le modèle de Wenzel et le processus d'imprégnation.Enfin, nous démontrons le dépôt et la structuration de grandes surfaces d'EGaIn par auto-absorption, mouillage spontané et sélectif sur des surfaces de dépôt de métaux microstructurées.Les électrodes de traction et les jauges de contrainte intégrant des structures EGaIn sont présentées comme applications potentielles.
L'absorption est un transport capillaire dans lequel le liquide envahit la surface texturée 41, ce qui facilite l'étalement du liquide.Nous avons étudié le comportement mouillant de l'EGaIn sur des surfaces métalliques microstructurées déposées dans de la vapeur de HCl (Fig. 1).Le cuivre a été choisi comme métal pour la surface sous-jacente. Sur des surfaces plates en cuivre, EGaIn a montré un faible angle de contact <20 ° en présence de vapeur de HCl, en raison du mouillage réactif 31 (Fig. 1 supplémentaire). Sur des surfaces plates en cuivre, EGaIn a montré un faible angle de contact <20 ° en présence de vapeur de HCl, en raison du mouillage réactif 31 (Fig. 1 supplémentaire). На плоских медных поверхностях egain показал низкий краевой уол <20 ° В присутсвlébie лнительный риннок 1). Sur des surfaces plates en cuivre, EGaIn a montré un faible angle de contact <20 ° en présence de vapeur de HCl en raison du mouillage réactif31 (Figure 1 supplémentaire).在平坦的铜表面上，由于反应润湿，EGaIn 在存在HCl 蒸气的情况下显示出的低接触角31（补充图1 ）。EGaIn et HCl Les médicaments les plus puissants pour l'EGaIn démontrent une crasse <20 ° dans les cas de HCl réactifs (risque supplémentaire ok 1). Sur des surfaces plates en cuivre, EGaIn présente de faibles angles de contact <20 ° en présence de vapeur de HCl en raison du mouillage réactif (Figure 1 supplémentaire).Nous avons mesuré les angles de contact étroits de l'EGaIn sur du cuivre massif et sur des films de cuivre déposés sur du polydiméthylsiloxane (PDMS).
a Microstructures en colonnes (D (diamètre) = l (distance) = 25 µm, d (distance entre colonnes) = 50 µm, H (hauteur) = 25 µm) et pyramidales (largeur = 25 µm, hauteur = 18 µm) sur Cu /substrats PDMS.b Modifications en fonction du temps de l'angle de contact sur des substrats plats (sans microstructures) et des réseaux de piliers et de pyramides contenant du PDMS recouvert de cuivre.c, d Enregistrement à intervalles de (c) vue latérale et (d) vue de dessus de l'EGaIn mouillant sur la surface avec des piliers en présence de vapeur de HCl.
Pour évaluer l'effet de la topographie sur le mouillage, des substrats PDMS à motif colonnaire et pyramidal ont été préparés, sur lesquels du cuivre a été déposé avec une couche adhésive de titane (Fig. 1a).Il a été démontré que la surface microstructurée du substrat PDMS était recouverte de cuivre de manière conforme (Fig. 2 supplémentaire).Les angles de contact en fonction du temps de l'EGaIn sur du PDMS pulvérisé en cuivre à motifs et plan (Cu/PDMS) sont représentés sur les figures 1 et 2.1b.L’angle de contact de l’EGaIn sur le cuivre/PDMS à motifs tombe à 0° en environ 1 min.Le mouillage amélioré des microstructures EGaIn peut être exploité par l'équation de Wenzel\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), où \({\theta}_{{rough}}\) représente l'angle de contact de la surface rugueuse, \ (r \) Rugosité de surface (= surface réelle/surface apparente) et angle de contact sur le plan \({\theta}_{0}\).Les résultats du mouillage amélioré d'EGaIn sur les surfaces à motifs sont en bon accord avec le modèle de Wenzel, puisque les valeurs r pour les surfaces à motifs arrière et pyramidaux sont respectivement de 1,78 et 1,73.Cela signifie également qu'une goutte d'EGaIn située sur une surface structurée va pénétrer dans les rainures du relief sous-jacent.Il est important de noter que des films plats très uniformes sont formés dans ce cas, contrairement au cas de l'EGaIn sur des surfaces non structurées (Fig. 1 supplémentaire).
De la fig.1c, d (Film supplémentaire 1), on peut voir qu'après 30 s, à mesure que l'angle de contact apparent s'approche de 0 °, EGaIn commence à se diffuser plus loin du bord de la goutte, ce qui est provoqué par l'absorption (Film supplémentaire 2 et Supplémentaire). Fig.3).Des études antérieures sur les surfaces planes ont associé l'échelle de temps du mouillage réactif à la transition du mouillage inertiel au mouillage visqueux.La taille du terrain est l’un des facteurs clés pour déterminer si un auto-amorçage se produit.En comparant l'énergie de surface avant et après l'imbibition d'un point de vue thermodynamique, l'angle de contact critique \({\theta}_{c}\) de l'imbibition a été dérivé (voir Discussion supplémentaire pour plus de détails).Le résultat \({\theta}_{c}\) est défini comme \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) où \({\phi}_{s}\) représente la zone fractionnaire en haut du message et \(r\ ) représente la rugosité de la surface. L'imbibition peut se produire lorsque \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), c'est-à-dire l'angle de contact sur une surface plane. L'imbibition peut se produire lorsque \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), c'est-à-dire l'angle de contact sur une surface plane. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.e.contactez-nous pour les services publics les plus proches. L'absorption peut se produire lorsque \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), c'est-à-dire l'angle de contact sur une surface plane.当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平面上的接触角时，会发生吸吸。当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平面上的接触角时，会发生吸吸。 Всасывание происходит, когда \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактный угол на плоскости. L'aspiration se produit lorsque \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), angle de contact sur le plan.Pour les surfaces post-motif, \(r\) et \({\phi}_{s}\) sont calculés comme \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \ } \ ) et \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\), où \(R\) représente le rayon de la colonne, \(H\) représente la hauteur de la colonne et \ ( d\) est la distance entre les centres de deux piliers (Fig. 1a).Pour la surface post-structurée de la fig.1a, l'angle \({\theta}_{c}\) est de 60°, ce qui est plus grand que le plan \({\theta}_{0}\) (~25° ) dans la vapeur de HCl Oxide-free EGaIn sur Cu/PDMS.Par conséquent, les gouttelettes d'EGaIn peuvent facilement envahir la surface structurée du dépôt de cuivre sur la figure 1a en raison de l'absorption.
Pour étudier l'effet de la taille topographique du motif sur le mouillage et l'absorption de l'EGaIn, nous avons fait varier la taille des piliers recouverts de cuivre.Sur la fig.La figure 2 montre les angles de contact et l'absorption de l'EGaIn sur ces substrats.La distance l entre les colonnes est égale au diamètre des colonnes D et va de 25 à 200 µm.La hauteur de 25 µm est constante pour toutes les colonnes.\({\theta}_{c}\) diminue avec l'augmentation de la taille de la colonne (Tableau 1), ce qui signifie que l'absorption est moins probable sur les substrats comportant des colonnes plus grandes.Pour toutes les tailles testées, \({\theta}_{c}\) est supérieur à \({\theta}_{0}\) et une transpiration est attendue.Cependant, l'absorption est rarement observée pour les surfaces post-structurées avec l et D 200 µm (Fig. 2e).
a Angle de contact dépendant du temps de l'EGaIn sur une surface Cu/PDMS avec des colonnes de différentes tailles après exposition à la vapeur de HCl.b–e Vues de dessus et de côté du mouillage EGaIn.b D = l = 25 µm, r = 1,78.en D = l = 50 µm, r = 1,39.dD = l = 100 µm, r = 1,20.eD = l = 200 µm, r = 1,10.Tous les poteaux ont une hauteur de 25 µm.Ces images ont été prises au moins 15 minutes après l'exposition aux vapeurs de HCl.Les gouttelettes sur EGaIn sont de l’eau résultant de la réaction entre l’oxyde de gallium et la vapeur de HCl.Toutes les barres d’échelle entre (b – e) mesurent 2 mm.
Un autre critère pour déterminer la probabilité d'absorption du liquide est la fixation du liquide sur la surface après l'application du motif.Kurbin et coll.Il a été rapporté que lorsque (1) les poteaux sont suffisamment hauts, les gouttelettes seront absorbées par la surface à motifs ;(2) la distance entre les colonnes est plutôt petite ;et (3) l’angle de contact du liquide sur la surface est suffisamment petit42.Numériquement, \({\theta}_{0}\) du fluide sur un plan contenant le même matériau de substrat doit être inférieur à l'angle de contact critique pour le brochage, \({\theta}_{c,{pin)) } \ ), pour une absorption sans épinglage entre les poteaux, où \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\) (voir la discussion supplémentaire pour plus de détails).La valeur de \({\theta}_{c,{pin}}\) dépend de la taille des broches (Tableau 1).Déterminez le paramètre sans dimension L = l/H pour juger si l’absorption se produit.Pour l'absorption, L doit être inférieur au seuil standard, \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan} } { \ theta}_{{0}}\large\}\).Pour EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\) sur un substrat de cuivre \({L}_{c}\) est de 5,2.Puisque la colonne L de 200 μm est de 8, ce qui est supérieur à la valeur de \({L}_{c}\), l'absorption d'EGaIn ne se produit pas.Pour tester davantage l'effet de la géométrie, nous avons observé l'auto-amorçage de divers H et l (Figure 5 supplémentaire et Tableau supplémentaire 1).Les résultats concordent bien avec nos calculs.Ainsi, L s’avère être un prédicteur efficace de l’absorption ;le métal liquide cesse d'absorber en raison du goupillage lorsque la distance entre les piliers est relativement grande par rapport à la hauteur des piliers.
La mouillabilité peut être déterminée en fonction de la composition de la surface du substrat.Nous avons étudié l'effet de la composition de la surface sur le mouillage et l'absorption de l'EGaIn en co-déposant Si et Cu sur des piliers et des plans (Fig. 6 supplémentaire).L'angle de contact EGaIn diminue de ~160° à ~80° à mesure que la surface binaire Si/Cu augmente de 0 à 75 % à une teneur en cuivre plate.Pour une surface à 75 % Cu/25 % Si, \({\theta}_{0}\) vaut ~80°, ce qui correspond à \({L}_{c}\) égal à 0,43 selon la définition ci-dessus .Étant donné que les colonnes l = H = 25 μm avec L égal à 1 supérieur au seuil \({L}_{c}\), la surface à 75 % Cu/25 % Si après structuration n'absorbe pas en raison de l'immobilisation.Étant donné que l’angle de contact de EGaIn augmente avec l’ajout de Si, un H plus élevé ou un l inférieur est nécessaire pour surmonter le blocage et l’imprégnation.Par conséquent, puisque l'angle de contact (c'est-à-dire \({\theta}_{0}\)) dépend de la composition chimique de la surface, il peut également déterminer si une imbibition se produit dans la microstructure.
L'absorption EGaIn sur le cuivre/PDMS à motifs peut mouiller le métal liquide en motifs utiles.Afin d'évaluer le nombre minimum de lignes de colonne provoquant l'imbibition, les propriétés mouillantes de l'EGaIn ont été observées sur Cu / PDMS avec des lignes de post-motif contenant différents numéros de lignes de colonne allant de 1 à 101 (Fig. 3).Le mouillage se produit principalement dans la région post-structuration.La mèche EGaIn a été observée de manière fiable et la longueur de la mèche a augmenté avec le nombre de rangées de colonnes.L'absorption ne se produit presque jamais lorsqu'il y a des poteaux comportant deux lignes ou moins.Cela peut être dû à une augmentation de la pression capillaire.Pour que l'absorption se produise sous forme de colonnes, la pression capillaire provoquée par la courbure de la tête EGaIn doit être surmontée (Fig. 7 supplémentaire).En supposant un rayon de courbure de 12,5 µm pour une tête EGaIn à une seule rangée avec un motif en colonnes, la pression capillaire est de ~0,98 atm (~740 Torr).Cette pression de Laplace élevée peut empêcher le mouillage provoqué par l’absorption d’EGaIn.De plus, moins de rangées de colonnes peuvent réduire la force d’absorption due à l’action capillaire entre EGaIn et les colonnes.
a Gouttes d'EGaIn sur Cu/PDMS structuré avec des motifs de différentes largeurs (w) dans l'air (avant exposition à la vapeur de HCl).Rangées de racks commençant par le haut : 101 (w = 5025 µm), 51 (w = 2525 µm), 21 (w = 1025 µm) et 11 (w = 525 µm).b Mouillage directionnel de l'EGaIn sur (a) après exposition à la vapeur de HCl pendant 10 min.c, d Mouillage de EGaIn sur Cu/PDMS avec des structures en colonnes (c) deux rangées (w = 75 µm) et (d) une rangée (w = 25 µm).Ces images ont été prises 10 minutes après l'exposition aux vapeurs de HCl.Les barres d’échelle sur (a, b) et (c, d) sont respectivement de 5 mm et 200 µm.Les flèches en (c) indiquent la courbure de la tête EGaIn due à l'absorption.
L'absorption d'EGaIn dans Cu / PDMS post-modèle permet à EGaIn d'être formé par mouillage sélectif (Fig. 4).Lorsqu'une goutte d'EGaIn est placée sur une zone à motifs et exposée à la vapeur de HCl, la goutte d'EGaIn s'effondre en premier, formant un petit angle de contact à mesure que l'acide élimine le tartre.Par la suite, l’absorption commence à partir du bord de la goutte.Une structuration de grandes surfaces peut être obtenue à partir d'EGaIn à l'échelle centimétrique (Fig. 4a, c).Étant donné que l'absorption se produit uniquement sur la surface topographique, EGaIn ne mouille que la zone du motif et arrête presque de mouiller lorsqu'il atteint une surface plane.Par conséquent, des limites nettes des modèles EGaIn sont observées (Fig. 4d, e).Sur la fig.La figure 4b montre comment EGaIn envahit la région non structurée, en particulier autour de l'endroit où la gouttelette EGaIn a été initialement placée.En effet, le plus petit diamètre des gouttelettes EGaIn utilisées dans cette étude dépassait la largeur des lettres à motifs.Des gouttes d'EGaIn ont été placées sur le site du motif par injection manuelle à l'aide d'une aiguille 27-G et d'une seringue, ce qui a donné des gouttes d'une taille minimale de 1 mm.Ce problème peut être résolu en utilisant des gouttelettes EGaIn plus petites.Dans l’ensemble, la figure 4 démontre que le mouillage spontané de l’EGaIn peut être induit et dirigé vers des surfaces microstructurées.Par rapport aux travaux antérieurs, ce processus de mouillage est relativement rapide et aucune force externe n’est requise pour obtenir un mouillage complet (Tableau supplémentaire 2).
emblème de l'université, la lettre b, c en forme d'éclair.La région absorbante est recouverte d'un réseau de colonnes avec D = l = 25 µm.d, images agrandies des côtes en e (c).Les barres d’échelle sur (a – c) et (d, e) sont respectivement de 5 mm et 500 µm.Sur (c – e), de petites gouttelettes à la surface après adsorption se transforment en eau à la suite de la réaction entre l'oxyde de gallium et la vapeur de HCl.Aucun effet significatif de la formation d’eau sur le mouillage n’a été observé.L'eau est facilement éliminée grâce à un simple processus de séchage.
En raison de la nature liquide de l'EGaIn, le Cu/PDMS recouvert d'EGaIn (EGaIn/Cu/PDMS) peut être utilisé pour les électrodes flexibles et étirables.La figure 5a compare les changements de résistance du Cu/PDMS d'origine et de l'EGaIn/Cu/PDMS sous différentes charges.La résistance du Cu/PDMS augmente fortement en tension, tandis que la résistance de l'EGaIn/Cu/PDMS reste faible en tension.Sur la fig.Les figures 5b et d montrent des images SEM et les données EMF correspondantes de Cu/PDMS brut et EGaIn/Cu/PDMS avant et après l'application de tension.Pour le Cu/PDMS intact, la déformation peut provoquer des fissures dans le film dur de Cu déposé sur le PDMS en raison d’une inadéquation d’élasticité.En revanche, pour l'EGaIn/Cu/PDMS, l'EGaIn recouvre toujours bien le substrat Cu/PDMS et maintient la continuité électrique sans fissures ni déformation significative, même après l'application d'une contrainte.Les données EDS ont confirmé que le gallium et l'indium de l'EGaIn étaient uniformément répartis sur le substrat Cu/PDMS.Il est à noter que l'épaisseur du film EGaIn est la même et comparable à la hauteur des piliers. Ceci est également confirmé par une analyse topographique plus approfondie, où la différence relative entre l'épaisseur du film EGaIn et la hauteur du poteau est <10 % (Fig. 8 supplémentaire et Tableau 3). Ceci est également confirmé par une analyse topographique plus approfondie, où la différence relative entre l'épaisseur du film EGaIn et la hauteur du poteau est <10 % (Fig. 8 supplémentaire et Tableau 3). Cela permet de prendre en compte l'analyse topographique, ce qui donne une solution différente à vos problèmes d'EGaIn et à votre service. вляет <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3). Ceci est également confirmé par une analyse topographique plus approfondie, où la différence relative entre l'épaisseur du film EGaIn et la hauteur de la colonne est <10 % (Fig. 8 et Tableau 3 supplémentaires).进一步的形貌分析也证实了这一点，其中EGaIn 薄膜厚度与柱子高度之间的相对差异<10%（补充图8 Étape 3）。 <10% Cela permet de mettre à jour l'analyse topographique, ce qui permet d'obtenir des fonds supplémentaires pour EGaIn et votre service. авляла <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3). Cela a également été confirmé par une analyse topographique plus approfondie, où la différence relative entre l'épaisseur du film d'EGaIn et la hauteur de la colonne était <10 % (Fig. 8 et Tableau 3 supplémentaires).Ce mouillage basé sur l'imbibition permet de bien contrôler l'épaisseur des revêtements EGaIn et de la maintenir stable sur de grandes surfaces, ce qui serait autrement difficile en raison de sa nature liquide.Les figures 5c et e comparent la conductivité et la résistance à la déformation du Cu/PDMS et de l'EGaIn/Cu/PDMS d'origine.Dans la démo, la LED s’allumait lorsqu’elle était connectée à des électrodes Cu/PDMS ou EGaIn/Cu/PDMS intactes.Lorsque le Cu/PDMS intact est étiré, la LED s’éteint.Cependant, les électrodes EGaIn/Cu/PDMS sont restées connectées électriquement même sous charge, et la lumière LED n’a que légèrement diminué en raison de la résistance accrue des électrodes.
a La résistance normalisée change avec l'augmentation de la charge sur Cu/PDMS et EGaIn/Cu/PDMS.Images b, d SEM et analyse par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) avant (en haut) et après (en bas) les polydiplexes chargés dans (b) Cu/PDMS et (d) EGaIn/Cu/méthylsiloxane.c, e LED attachées à (c) Cu/PDMS et (e) EGaIn/Cu/PDMS avant (en haut) et après (en bas) l’étirement (~ 30 % de contrainte).La barre d’échelle en (b) et (d) est de 50 µm.
Sur la fig.La figure 6a montre la résistance de EGaIn/Cu/PDMS en fonction de la déformation de 0% à 70%.L'augmentation et la récupération de la résistance sont proportionnelles à la déformation, ce qui est en bon accord avec la loi de Pouillet pour les matériaux incompressibles (R/R0 = (1 + ε)2), où R est la résistance, R0 est la résistance initiale, ε est la déformation 43. D'autres études ont montré que lorsqu'elles sont étirées, les particules solides dans un milieu liquide peuvent se réorganiser et se répartir plus uniformément avec une meilleure cohésion, réduisant ainsi l'augmentation de la traînée 43, 44 . Cependant, dans ce travail, le conducteur est constitué à >99 % de métal liquide en volume puisque les films de Cu n'ont qu'une épaisseur de 100 nm. Cependant, dans ce travail, le conducteur est constitué à >99 % de métal liquide en volume puisque les films de Cu n'ont qu'une épaisseur de 100 nm. Il y a une quantité de métal >99% dans ce travail du produit, qui correspond à une distance de 100 nm. Cependant, dans ce travail, le conducteur est constitué de > 99 % de métal liquide en volume, puisque les films de Cu n'ont qu'une épaisseur de 100 nm.然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99% 的液态金属（按体积计）。然而，在这项工作中，由于Cu 薄膜只有100 nm 厚，因此导体是>99%Cependant, dans ce travail, comme le film de Cu n’a qu’une épaisseur de 100 nm, le conducteur est constitué à plus de 99 % de métal liquide (en volume).Par conséquent, nous ne nous attendons pas à ce que le Cu apporte une contribution significative aux propriétés électromécaniques des conducteurs.
a Changement normalisé de la résistance à l'EGaIn/Cu/PDMS par rapport à la déformation dans la plage de 0 à 70 %.La contrainte maximale atteinte avant la défaillance du PDMS était de 70 % (Fig. 9 supplémentaire).Les points rouges sont des valeurs théoriques prédites par la loi de Puet.b Test de stabilité de la conductivité EGaIn/Cu/PDMS lors de cycles d'étirement-étirage répétés.Une souche à 30 % a été utilisée dans le test cyclique.La barre d'échelle en médaillon est de 0,5 cm.L est la longueur initiale de EGaIn/Cu/PDMS avant étirement.
Le facteur de mesure (GF) exprime la sensibilité du capteur et est défini comme le rapport entre la variation de la résistance et la variation de la déformation45.Le GF est passé de 1,7 à 10 % de déformation à 2,6 à 70 % de déformation en raison du changement géométrique du métal.Par rapport aux autres jauges de contrainte, la valeur GF EGaIn/Cu/PDMS est modérée.En tant que capteur, bien que son GF ne soit pas particulièrement élevé, l'EGaIn/Cu/PDMS présente un changement de résistance robuste en réponse à une charge à faible rapport signal/bruit.Pour évaluer la stabilité de la conductivité de l'EGaIn/Cu/PDMS, la résistance électrique a été surveillée pendant des cycles d'étirement-étirement répétés à une déformation de 30 %.Comme le montre la fig.6b, après 4 000 cycles d'étirement, la valeur de résistance est restée inférieure à 10 %, ce qui peut être dû à la formation continue de tartre lors de cycles d'étirement répétés46.Ainsi, la stabilité électrique à long terme de l’EGaIn/Cu/PDMS en tant qu’électrode extensible et la fiabilité du signal en tant que jauge de contrainte ont été confirmées.
Dans cet article, nous discutons des propriétés de mouillage améliorées du GaLM sur les surfaces métalliques microstructurées provoquées par l'infiltration.Un mouillage complet spontané de l'EGaIn a été obtenu sur des surfaces métalliques colonnaires et pyramidales en présence de vapeur de HCl.Ceci peut être expliqué numériquement sur la base du modèle de Wenzel et du processus de mèche, qui montre la taille de la post-microstructure requise pour le mouillage induit par mèche.Le mouillage spontané et sélectif de l'EGaIn, guidé par une surface métallique microstructurée, permet d'appliquer des revêtements uniformes sur de grandes surfaces et de former des motifs de métal liquide.Les substrats Cu/PDMS recouverts d'EGaIn conservent les connexions électriques même lorsqu'ils sont étirés et après des cycles d'étirement répétés, comme le confirment les mesures SEM, EDS et de résistance électrique.De plus, la résistance électrique du Cu/PDMS recouvert d'EGaIn change de manière réversible et fiable proportionnellement à la contrainte appliquée, indiquant son application potentielle en tant que capteur de contrainte.Les avantages possibles fournis par le principe de mouillage du métal liquide provoqué par imbibition sont les suivants : (1) le revêtement et la configuration GaLM peuvent être obtenus sans force externe ;(2) Le mouillage du GaLM sur la surface de la microstructure recouverte de cuivre est thermodynamique.le film GaLM résultant est stable même sous déformation ;(3) la modification de la hauteur de la colonne recouverte de cuivre peut former un film GaLM d'épaisseur contrôlée.De plus, cette approche réduit la quantité de GaLM nécessaire pour former le film, puisque les piliers occupent une partie du film.Par exemple, lorsqu'un ensemble de piliers d'un diamètre de 200 μm (avec une distance entre les piliers de 25 μm) est introduit, le volume de GaLM requis pour la formation du film (~9 μm3/μm2) est comparable au volume du film sans piliers.(25 µm3/µm2).Cependant, dans ce cas, il faut tenir compte du fait que la résistance théorique, estimée selon la loi de Puet, est également multipliée par neuf.Dans l’ensemble, les propriétés de mouillage uniques des métaux liquides évoquées dans cet article offrent un moyen efficace de déposer des métaux liquides sur une variété de substrats pour l’électronique étirable et d’autres applications émergentes.
Les substrats PDMS ont été préparés en mélangeant la matrice Sylgard 184 (Dow Corning, USA) et le durcisseur dans des rapports de 10 : 1 et 15 : 1 pour des tests de traction, suivi d'un durcissement dans un four à 60 °C.Du cuivre ou du silicium ont été déposés sur des tranches de silicium (Silicon Wafer, Namkang High Technology Co., Ltd., République de Corée) et des substrats PDMS avec une couche adhésive en titane de 10 nm d'épaisseur à l'aide d'un système de pulvérisation personnalisé.Les structures en colonnes et pyramidales sont déposées sur un substrat PDMS à l'aide d'un processus photolithographique sur plaquette de silicium.La largeur et la hauteur du motif pyramidal sont respectivement de 25 et 18 µm.La hauteur du motif de barre était fixée à 25 µm, 10 µm et 1 µm, et son diamètre et son pas variaient de 25 à 200 µm.
L'angle de contact de l'EGaIn (gallium 75,5 % / indium 24,5 %, > 99,99 %, Sigma Aldrich, République de Corée) a été mesuré à l'aide d'un analyseur de forme de goutte (DSA100S, KRUSS, Allemagne). L'angle de contact de l'EGaIn (gallium 75,5 % / indium 24,5 %, > 99,99 %, Sigma Aldrich, République de Corée) a été mesuré à l'aide d'un analyseur de forme de goutte (DSA100S, KRUSS, Allemagne). L'entreprise EGaIn (Gal 75,5 %/INDI 24,5 %, >99,99 %), Sigma Aldrich, République de Corée) est associée à un analyseur de capacité (DSA100S, KRUSS, Allemagne). L'angle de bord de l'EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, > 99,99 %, Sigma Aldrich, République de Corée) a été mesuré à l'aide d'un analyseur de gouttelettes (DSA100S, KRUSS, Allemagne). EGaIn（镓75,5%/铟24,5%，>99,99%，Sigma Aldrich，大韩民国）的接触角使用滴形分析仪（DSA100S，KRUSS，德国）测量。 L'EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, > 99,99 %, Sigma Aldrich, 大韩民国) a été mesuré à l'aide d'un analyseur de contact (DSA100S, KRUSS, Allemagne). L'entreprise EGaIn (Gal 75,5%/INDI 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, République de Corée) est associée à des formulaires d'analyse de capsules (DSA100S, KRUSS, Allemagne). L'angle de bord de l'EGaIn (gallium 75,5 %/indium 24,5 %, > 99,99 %, Sigma Aldrich, République de Corée) a été mesuré à l'aide d'un analyseur de capuchon de forme (DSA100S, KRUSS, Allemagne).Placez le substrat dans une chambre en verre de 5 cm × 5 cm × 5 cm et placez une goutte de 4 à 5 μl d'EGaIn sur le substrat à l'aide d'une seringue de 0,5 mm de diamètre.Pour créer un milieu vapeur de HCl, 20 µL de solution de HCl (37% en poids, Samchun Chemicals, République de Corée) ont été placés à côté du substrat, qui a été suffisamment évaporé pour remplir la chambre en 10 s.
La surface a été imagée à l'aide de SEM (Tescan Vega 3, Tescan Korea, République de Corée).EDS (Tescan Vega 3, Tescan Korea, République de Corée) a été utilisé pour étudier l'analyse qualitative et la distribution des éléments.La topographie de la surface EGaIn/Cu/PDMS a été analysée à l'aide d'un profilomètre optique (The Profilm3D, Filmetrics, USA).
Pour étudier le changement de conductivité électrique au cours des cycles d'étirement, les échantillons avec et sans EGaIn ont été fixés sur l'équipement d'étirement (Bending & Stretchable Machine System, SnM, République de Corée) et ont été connectés électriquement à un compteur source Keithley 2400. Pour étudier le changement de conductivité électrique au cours des cycles d'étirement, les échantillons avec et sans EGaIn ont été fixés sur l'équipement d'étirement (Bending & Stretchable Machine System, SnM, République de Corée) et ont été connectés électriquement à un compteur source Keithley 2400. Pour l'installation d'électropropulseurs pour les cycles de réparation de l'EGaIn et sans qu'ils soient mis en œuvre pour la réparation (pliage et Stretchable Machine System, SnM, Reспублика Корея) et appareils électriques fournis par l'usine Keithley 2400. Pour étudier le changement de conductivité électrique au cours des cycles d'étirement, des échantillons avec et sans EGaIn ont été montés sur un équipement d'étirement (Bending & Stretchable Machine System, SnM, République de Corée) et connectés électriquement à un compteur source Keithley 2400.Pour étudier le changement de conductivité électrique au cours des cycles d'étirement, des échantillons avec et sans EGaIn ont été montés sur un dispositif d'étirement (Bending and Stretching Machine Systems, SnM, République de Corée) et connectés électriquement à un SourceMeter Keithley 2400.Mesure le changement de résistance dans la plage de 0 % à 70 % de la déformation de l'échantillon.Pour le test de stabilité, l'évolution de la résistance a été mesurée sur 4 000 cycles de déformation à 30 %.
Pour plus d’informations sur la conception de l’étude, consultez le résumé de l’étude Nature lié à cet article.
Les données étayant les résultats de cette étude sont présentées dans les fichiers d'informations supplémentaires et de données brutes.Cet article fournit les données originales.
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Ainsi, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectification du courant ionique dans des diodes à matière molle avec des électrodes de métal liquide. Ainsi, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectification du courant ionique dans des diodes à matière molle avec des électrodes de métal liquide. Tac, JH, Koo, HJ, Dickey, MD et Velev, OD Je sais que les diodes sont du matériel électrique provenant du métal. Ainsi, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectification du courant ionique dans des diodes en matériaux souples avec des électrodes de métal liquide. Donc, JH, Koo, HJ, Dickey, MD et Velev, OD. Donc, JH, Koo, HJ, Dickey, MD et Velev, OD Tac, JH, Koo, HJ, Dickey, MD et Velev, OD J'ai appris à utiliser des diodes avec du matériel électrique. Ainsi, JH, Koo, HJ, Dickey, MD & Velev, OD Rectification du courant ionique dans des diodes en matériaux souples avec des électrodes de métal liquide.Capacités étendues.mère nourricière.22, 625-631 (2012).
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