研究背景
随着电子设备的广泛应用，金属氧化物薄膜因其在透明导体、气体传感器、半导体、绝缘体及钝化层等方面的重要性，受到越来越多的关注。金属氧化物薄膜的优良性能使其在现代电子设备中扮演了关键角色。然而，传统的氧化物薄膜沉积方法，如溶液法、化学气相沉积和物理气相沉积，存在一些问题。溶液法虽然可以实现大面积沉积，但形成致密膜时挑战重重，且通常需要高温热处理。气相沉积能够提供高纯度的氧化物薄膜，但其有害化学前驱体和真空处理需求也带来了缺点。因此，寻找一种简单、高效、能够在大面积上沉积致密高纯度氧化物薄膜的替代方法显得尤为重要。针对这些问题，近年来的研究尝试了通过分离金属表面的本征氧化物层来直接生产高纯度氧化物薄膜。由于本征氧化物通常很薄且形成迅速，它们成为了研究的重点。例如，低熔点金属镓在几乎瞬间形成薄氧化物膜，研究者们也探索了多种方法来去除金属表面氧化物，如将液态金属与基底接触或在基底上涂抹液态金属。然而，这些方法大多依赖于批量处理，并且常常留下需要机械去除的液体残留物，影响膜的质量。为了解决这些问题，美国北卡罗来纳州立大学Michael Dickey教授联合韩国浦项科技大学Unyong Jeong教授合作在“Science”期刊上发表了题为“Ambient printing of native oxides for ultrathin transparent flexible circuit boards”的最新论文。科学家们提出了一种新的打印方法，通过移动充满液态金属的打印头，在室温条件下连续打印大面积均匀的本征氧化物薄膜。这种方法利用了液态金属的脱湿行为，通过液体不稳定性，使氧化物从金属中自发分离，形成均匀的双层氧化物薄膜，而不会留下液体残留。通过这种方法，研究者们成功地在室温下打印了超薄（<10纳米）的金属氧化物膜，并进一步在其上蒸发微量金属（如Au或Cu），稳定了薄膜的导电性。这些金属装饰的氧化物薄膜不仅具有优异的透明性，还表现出卓越的电气导电性和热学/机械稳定性。该方法的突破性在于可以在大面积上打印出耐用且性能良好的导电薄膜，具有广泛的应用前景，包括透明导体、柔性电路、屏障涂层、光电材料以及忆阻器等领域。
研究亮点
1. 实验首次使用熔融金属的脱湿行为，在室温条件下成功打印出大面积且均匀的超薄（<10纳米）本征氧化物薄膜。该方法通过在目标基底上移动充满熔融金属的打印头，使金属弯月面发生液体不稳定性，进而将氧化物从金属中轻柔地分离出来，形成无液体残留的均匀薄膜。2. 实验通过将金属氧化物膜的金属特性与蒸发金的润湿性结合，实现了高导电性薄膜的制备。由于打印的氧化物膜具有金属间层，使得蒸发金能够有效润湿薄膜，而非在传统氧化物表面形成不连续的岛屿。最终，获得的超薄导体可以被制成透明的、机械强度高且电气稳定的柔性电路，这些电路在高温下也能保持良好性能。
图文解读
图3：用于超薄透明柔性电路板的原生氧化物环境印刷。
总结展望
本文的研究提供了一个创新的思路，展示了在室温条件下，通过利用熔融金属弯月面的液体不稳定性，连续打印大面积均匀的本征超薄氧化物薄膜。这种方法不仅克服了传统高温真空沉积工艺的局限，还实现了在常温下的大面积氧化物薄膜生产。其核心科学启迪在于利用金属的脱湿行为，将金属与氧化物分离，形成均匀的氧化物层，并且避免了液体残留的问题。这种新方法所获得的薄膜具有优良的导电性和透明性，同时能够稳定地在高温下保持良好的电气和机械性能。此外，打印的氧化物膜具备金属特性，使得微量蒸发金（如金）能够有效地润湿膜面，从而避免了在传统氧化物表面形成的金属岛屿现象。这一发现不仅推动了柔性电路的应用，还为透明导体、屏障涂层、光电材料和忆阻器等领域的技术进步提供了新的解决方案。这种方法的普适性和高效性为未来电子器件的制造开辟了新的路径，具有重要的科学和工程应用价值。Minsik Kong et al. ,Ambient printing of native oxides for ultrathin transparent flexible circuit boards.Science385,731-737(2024).DOI:10.1126/science.adp3299
