液态金属在电子器件中的应用

转自微信民众号：柔性电子服务平台只管人文学科几千年来一直对液态金属着迷，但这一领域的研究缺口仍然很大。这个领域充满了未知，为未来的发现和创新提供了庞大的时机。

毫无疑问，对这些未知的探索将会从基础上改变研究偏向，并影响更广泛的科学界和日常生活的许多方面。液态金属，泛指液态的金属合金，是一种良好的质料，它可以为先进的设备制造软金属元件，并增强其逾越固态系统的能力，在柔性电子领域获得了重要职位。可拉伸电极通过将电子元件嵌入弹性体薄膜中，并通过液态金属网将其毗连起来，制成可拉伸的柔性电子系统。

薄膜的弹性以及液态金属的自修复特性，使其在可穿着或可植入设备中应用前景可观。将液态金属注入微流体通道，可利便在PDMS中举行图形化定制。

然而，这一历程有赖于微流控结构、扫描、制造以及毗连高密度电子设备的能力。图1展示了一些基于液态金属电极的可拉伸电子系统，如无线传输线圈(图1a)、可拉伸的脉冲传感器实 (图1b)、脉冲血氧仪(图1c)、触控传感器(图1d)以及温度传感器 (图1 e)等。

此外，液态金属外貌自然氧化物的形成也为建设异质结构缔造肖特基接触提供了时机。这种触点可以用于开发基于结的柔性电子产物。

图1 基于液态金属的可拉伸电子器件微流道应用液态合金在微流体系统的制造和运行中获得了广泛的应用。这种装置可以很容易地制造、集成、重新设置、替换和操作，为软微流体元件的制造提供了时机。具有外貌氧化物的液态金属甚至可以用来制造它们自己的微流控通道。通过牢固的液态金属液滴诱导外貌张力梯度，将周围的液体拉向液滴的高外貌张力区域，从而建立软泵、搅拌机和对流冷却机。

这种射流执行机构可以很容易地安装在任何系统所需的位置，以利便特定的应用。例如，插入一对液态金属泵浦糖胺化腔用于诱导高度可控的皮层，从而实现定制时空温度梯度的生成（图2a和2b）。

相比之下，在非静止液态金属液滴上诱导外貌张力梯度可以使液滴向其低外貌张力区域移动。这一特性最近被用于制造刺激反映阀，使液体在提供足够的pH梯度的情况下通过液滴释放(图2c)。

微流体结构还可以形成定制的液态金属图案(图2d)。未来，这种模式可能会使用液态金属的高导热性，促进准确散热，实现温度的局部调治。微流控系统还能一连形成微尺度的液态金属液滴(图2e)。

通过沿聚焦通道施加小电压，所发生的液滴险些可以立刻改变外貌张力和液滴的巨细，这些液滴可以用于喷墨打印所需图案，也可以在芯片外或芯片内收集以供进一步使用。图2 基于液态金属的微流体系统微流控结构还可以利便地定制柔性电子元件，如电线、电阻、电容器和电感，以及电子电路(图3a)和电子设备（图3b）。

这些元件的性质可以通过微流体结构泵浦/注入液态金属来调治。例如，由一连液态金属柱组成的谐振频率可调谐的天线，以及由离散液态金属段塞组成的可调谐电容器(图3c)。液态金属图案可以作为微电极，通过丈量离子溶液的电导和电容，促进多种应用，如造就细胞的电刺激，诱导相近液体中电动驱动的流动，悬浮粒子的电泳俘获和感知温度、湿度和氧气。无源电感电容(LC)传感平台就是一个很好的例子，它由一个用于定量丈量的盘式液态金属电感和一个螺旋状液态金属电感组成。

该平台与一个液态金属线圈相连用于无线电力传输。此外，使用液态金属作为电互连，无需使用传统的线键合和倒装芯片键合工艺，就可以利便地将种种电子元件集成到微流控系统中(图3d和e)。图3 基于液态金属的柔性/可伸缩电子系统传感器基于液态金属的传感器使用了这些质料提供的奇特性能，这是其他传感质料无法相比的。液态金属具有流动性、催化性能、在电解液中形成外貌EDL以及合金化其他金属(通常称为混汞)的能力。

用于机械变化、温度、湿度和重金属、气体和其他化合物的化学传感器已经获得证明。以基于超声镓基液态金属的气体传感器为例，其事情原理是，镓合金外貌形成的界面氧化镓是一种宽带隙半导体，当袒露在氧化还原气体中时，会改变其导电性。镓氧化物作为一类半导体可能令人惊讶，因为它的带隙很宽~4.5-4.9 eV。

只管如此，这种质料越来越被认为是微电子学的一个有前途的候选质料，因为它具有良好的条理性、合适的载流子迁移率以及从液态镓在中等温度下合成时的富厚的陷阱态。对于传感应用，超声处置惩罚的液体金属的高比外貌积和自发形成的自然异质结构(氧化物壳和液态金属核)有助于提高其对气体的敏感性。基于液相金属接触敏感层的感应电容(LC)特性的蒸汽传感器也如图4所示。

图4 (a)液相和气相挥发性有机化合物传感平台EGaIn接纳PDMS封装，(b) LC无源传感器和软读出线圈示意图。机械传感器可以接纳共晶镓铟（EGaIn）和镓铟锡合金（galinstan）制备，因为封装在软管中的液态金属可以蒙受显着的应变，应变可以调治导体的直径，从而导致电阻率的变化。

为了封装机械传感器的结构，通常使用橡胶聚合物等软壳质料。显然，最常用的橡胶聚合物之一是PDMS，它提供了成型和结构所需传感单元的能力。

这种传感器已经被实际应用于人体皮肤上检测人的运动和触觉感知。储能液态金属已被研究作为储能介质。由于其完全还原态，元素金属具有相对较高的能量密度。此外，与传统的碱离子电池相比，它们的高导电性将内部效率损失降至最低，并简化了电池的设计。

使用液态金属而不是固态金属另有一个优点，那就是典型的器件失效机制，如树枝状晶体生长或电极开裂，是不会发生的。因此，液态金属电池经常被认为是具有良好循环性能和可提高设备性能的储能设备。阴极和阳极均为低熔点金属，以碱和碱土元素作为阳极和过渡后金属的阴极质料。

含有电离阳极金属的熔融盐电解质通常用于分散电极，从而实现全液态器件设计(图5a)。当设备放电时，阳极质料通过熔盐电解质向阴极移动。在阴极上形成了一种包罗两种元素的合金，在充电时这一历程正好相反。

图5 （a）液态金属电池的充电周期性能特点和（b）自愈Ga-Li液态金属纽扣电池在40℃温度下的原位SEM图像。在制备小器件时，用液态金属作为电极使电极制备很是简朴。

将熔体滴到钢板等基材上通常就足够了，消除了导电碳和粘合剂等非活性身分。不幸的是，包罗Ga和In在内的一些阴极质料候选质料的高成本现在被认为是无法举行实际应用的。

因此，许多研究集中在低成本、高熔点的替代品上，使用较高熔点的质料(如铋或铅)时，在评估储能单元的效率时，需要思量热损失。在实际应用中，针对大电池尺寸的电池可以淘汰热损耗，这通常是针对网格存储应用。

在这方面，像Ga这样的液态金属及其熔点靠近室温的合金，对于热治理更为关键的小型器件设计具有吸引力。例如，可以使用高理论容量(769 mA h g-1)、低温流动性和高导电性Ga的优点，为锂离子电池构建自愈电极。纽扣电池是通过简朴地将Ga滴铸到钢基板上而构建的。阳极是用锂箔制造的。

电池在40℃温度下运行，略高于Ga熔点，保证了充电时的液体状态。在此设计中，阳极在运行时保持固态。电池的可逆容量为mAh g-1，凌驾其理论极限的90%。

差别电荷放电状态下的原位扫描电镜图像(图5b)展现了锂化作用导致Ga电极凝固。GaLi合金的析出最初引起电极开裂，而完全析出后的电极在40℃的温度下，高于Ga熔点运行，器件运行后电极自愈合。大型液态金属电池可以使用自分散的方法组装，在这种方法中，两种电极质料的密度差别，熔融盐电解液在两种金属之间具有一定的密度。如前所述，低质料成本、良好的柱效率和高电池电压需要与低熔点平衡。

虽然有许多吸引人的阳极质料可供选择，但廉价而高效的阴极质料却很稀缺。两种“理想”质料是Bi和Sb，它们以可接受的成本提供高电压。

与锑相比，以铋为基体的阴极熔点较低，因而在液态金属电池领域占据主导职位(271.3 ℃比630.7 ℃)。然而，锑的成本约莫是锑的三倍，这对于开发锑基液体电池来说是一个有竞争力的理由。

最近的研究讲明，将Sb与Pb合金化是一种有效的方法，可以将电池的事情温度降低到450 ℃，同时保持高开路电压。这一发现意义重大，因为Li/Sb对的开路电压约为0.92 V，而Li/Pb电池的电位低于0.6V。

纵然使用含有82 mol% Pb的PbSb共晶混淆物，电池电压也维持在0.87 V。总的来说，Li/SbPb电池通过提供极好的稳定性而发生了令人鼓舞的效果，预计在10年的日充放电深度为100%后，可保留85%的容量。

在电流密度为275 mA cm-2时，电池的库伦效率为98%，回复效率为73%。这项事情强调，智能质料设计可以降低这种存储系统的运行温度，同时保持期望的性能（包罗高开路电压和低质料成本）。

除了上述提到的一些应用之外，液态金属在外貌合成、催化、生物系统以及化学传感器领域也有一定的应用。参考资料：T. Daeneke,*a K. Khoshmanesh, a N. Mahmood,a I. A. de Castro,a D. Esrafilzadeh,a S. J. Barrow, a M. D. Dickeyb and K.Kalantar-zadeh. Liquid metals: fundamentals and applications in chemistry. ChemSoc Rev, 2018, DOI:10.1039/c7cs00043j.转发此篇文章时，请标明出处。

本文来源：im体育 官网-www.szxrjs.com