一种基于挤压法制备颜色可控的室温液态金属基导电薄膜的方法

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，具体一种基于挤压法制备颜色可控的室温液态金属基导电薄膜的方法。采用超声溶解的手段制备液态金属-铝合金，利用铝元素在液态金属表面空气条件下自发氧化的性质，通过挤压的方式，将液态金属从氧化膜中连续挤出，通过控制挤压速度，制备颜色可控的高导电性金属氧化物/液态金属复合导电薄膜。

背景技术

众所周知，室温液态金属（镓及其室温液态金属合金）作为我国重要的战略资源被广泛的应用于光电子以及半导体领域。近年来，基于室温液态金属非常好的流动性以及生物兼容性，其也被广发的应用与生物兼容的柔性电子器件中。

然而，室温液态金属的高流动性以及对其他材料的粘附性，其表面一般需采用有机覆盖层的方式保护液态金属结构免于机械作用破坏。同时，室温液态金属大量的自由电子对可见光具有极强的反射能力，因此其在自然光照条件下一般呈现银白色。因此在柔性电子器件中，液态金属的功能很难被自然标识。尽管，目前已经有溶液环境中的电致氧化还原、石墨纸碰触、高能激光诱导以及高温氧化染色等。但在制备，如液态金属作为功能导电结构时，为了区别导电结构功能，设计者一般采用的是将液态金属表面使用有机染料染色实现颜色控制。但有机染料染色的技术方案存在不足：1.与液态金属结合的一般有机柔性基底不耐高温；2.溶液环境中操作液态金属变色的同时液态金属表面可能产生气泡，同时发生相应的形变与移动等，其会显著破坏液态金属的形貌。尽管目前可以通过先制备后转移的方式实现颜色可控的液态金属导电结构的制备，但会显著加大工艺难度，提高生产成本。基于以上原因，迫切需要开发一种廉价的、可控性好的方式制备室温液态金属基颜色可控的高导电性导电薄膜。

发明内容

本发明正是提供这样一种基于挤压法制备颜色可控的室温液态金属基导电薄膜的方法，包括如下步骤:

a. 切割铝块：将块体铝切成小块并将表面抛光；

b. 清洗小块铝：将小块铝表面清洗干净后保存在干燥器内；

c. 室温液态金属配制：配制Ga-In-Sn室温液态合金；

d.超声溶铝：将步骤c配制的室温液态合金倒入开放容器中作为溶剂，将步骤b保存的小块铝完全压入液态金属液面以下；使用超声波清洗机作为超声源，将开放容器放入超声波清洗机中，控制功率密度为50-500W/L范围内，对液态金属进行超声处理，使铝溶解于室温液态金属中；

e. 溶有铝的液态金属的保存：将步骤d得到的溶有铝的液态金属在保护性气氛中从开放容器中倒入密封容器中保存，隔绝空气与水气；

f. 导电薄膜制备：在空气环境下，将步骤e中保存的溶有铝的液态金属使用注射器取出400-600μL，滴在平整、光滑的物体表面，用直径为0.5-1cm的亚克力棒、按照0.4-1.5cm/min的速度擀压溶有铝的液态金属，制备出室温液态金属基导电薄膜，擀压速度越快，室温液态金属基导电薄膜呈现的颜色越浅。

进一步地，在步骤a中，将块体铝切成长×宽×厚=7.85×7.85×3mm的小块。

进一步地，在步骤b中，清洗干净是将小块铝浸泡于分析纯丙酮中，常温条件下超声处理10-15min，之后用去离子水冲洗3-4min除去表面有机残留，自然干燥。

进一步地，在步骤c中，Ga-In-Sn室温液态合金中Ga：In：Sn的重量比为62.5：21.5：16；Ga的纯度为99.99%，In的纯度为99.9%，Sn的纯度为99.0%；配制方法是通过在50-80℃的水浴中，采用加料搅拌的方式，依次将In和Sn加入到Ga中，搅拌混合30-60min即可。

进一步地，在步骤d中，铝在室温液态金属中的质量份数为0.006wt%-0.04wt%。

进一步地，在步骤f中，空气环境的温度为10-30℃，相对湿度20-80%rh。

与现有技术相比，本发明利用空化射流带来的极高的元素扩散速率和高温，超声波形成的高速高温空化射流对块体铝的侵蚀溶解作用，在室温条件下使小块铝在室温液态金属中的可控溶解；之后利用铝元素在液态金属表面空气条件下自发氧化的性质，通过连续挤压的方式，将液态金属从氧化膜中持续挤出，通过控制挤压速度，控制液态金属表面氧化膜的反应时间，从而控制氧化膜厚度制备出颜色可控的高导电性铝镓铟锡氧化物/液态金属复合导电薄膜。具有要求简单、操作容易、大范围、可控性好，具有很好的重现性，而且相对于传统的方法薄膜颜色可以根据挤压速度实时调控，处理时间以及成本方面大幅降低，同时该技术为一次成型技术，工艺简单可以满足产业化需求。

附图说明

图1是实施例1挤压获得的金属氧化物/液态金属复合导电薄膜示意图。

图2是实施例1匀速挤压获得的金属氧化物/液态金属复合导电薄膜。

图3是实施例1中金属氧化物/液态金属复合导电薄膜的SEM表征结果。

图4是实施例1中金属氧化物/液态金属复合导电薄膜的XRD表征结果。

图5是实施例1中金属氧化物/液态金属复合导电薄膜电导率表征。

图6是实施例2中非匀速挤压获得的金属氧化物/液态金属复合导电薄膜。

图7是实施例2中金属氧化物/液态金属复合导电薄膜深色区域的SEM表征结果。

具体实施方式

基于挤压法快速制备颜色可控的室温液态金属基高导电性导电薄膜的方法，其示意图，如图1所示。

实施例1，一种基于挤压法制备颜色可控的室温液态金属基导电薄膜的方法，包括如下步骤:

a. 切割铝块：将块体铝切成重量约为0.5g、尺寸为7.85×7.85×3mm（长×宽×厚）的小块并将表面抛光；

b. 清洗小块铝：将表面抛光的铝片浸泡于分析纯丙酮中，常温条件下超声处理10min，之后用去离子水冲洗4min，除去表面有机残留，自然干燥后保存在干燥器内；

c. 室温液态金属配制：通过在80℃的水浴中，采用加料搅拌的方式，依次将纯In99.9%和纯锡99.0%加入到纯镓99.99%中，搅拌混合60min，配制成Ga62.5wt.%In21.5wt.%Sn16 wt.% 室温液态合金；

d. 超声溶铝：采用玻璃烧杯作为容器，其中倒入质量为20g步骤c的液态金属作为溶剂，将步骤b中获得的1小块铝完全压入液态金属液面以下；使用超声波清洗机作为超声源，将烧杯放入超声波清洗机中，控制功率密度为300 W/L范围内，对液态金属进行超声处理10 min，使铝溶解于室温液态金属中；

e.溶有铝的液态金属的保存：将步骤d得到的液态金属在保护性气氛中从烧杯中倒入密封瓶中保存，隔绝空气与水气；

f.导电薄膜制备：将步骤e中保存的溶有铝的液态金属使用注射器取出400 μL，空气环境下（温度10-30℃，相对湿度20-80%rh），滴在下面铺有白色A4打印纸500的平整玻璃200表面形成液态金属液滴100，采用直径为1 cm的亚克力棒300，按照1.5 cm/min的速度向左擀压液态金属，亚克力棒300滚动着向左运动，制备出室温液态金属基导电薄膜400，其形貌以及微观表征结果如图2，图3所示。XRD结果表明，该导电薄膜氧化层包含了无定型氧化铝以及镓铟锡合金的混合氧化物，如图4所示。

如图5所示，使用手持式四探针电阻测试仪对步骤f中制备的室温液态金属基导电薄膜进行面电阻测试，其方块电阻约为500 mΩ/sq，说明其具有高导电性。

实施例2

步骤a-d，e，g与实施例1相同，不同的是调整擀压速度。

步骤f，导电薄膜制备：将步骤e中处理好的液态金属使用注射器取出400 μL，空气环境下（温度10-30℃，相对湿度20-80%rh），滴在下面铺有白色A4打印纸500的平整玻璃200表面形成液态金属液滴100，采用直径为1 cm的亚克力棒300，交替按照1.5 cm/min和0.4cm/min的速度向左擀压液态金属，亚克力棒300滚动着向左运动，制备出室温液态金属基导电薄膜400。可以看到，0.4cm/min挤压处获得的导电薄膜颜色较深，其宏观与微观形貌，如图6与图7所示。