液态金属改性对黏附性的影响比较

材料的表面粗糙度对润湿性有一定影响［8］，打印纸、硅胶板和橡胶板3种材料的表面形貌如图4.17所示。从图可以看出，打印纸、硅胶板和橡胶板的平均表面粗糙度分别为70.7 nm、16.6 nm和17.6 nm，即实际接触面积与表观接触面积的比值极接近1，这时的表观接触角近似等于本征接触角，故以下计算中都采用本征接触角，简称接触角。

测量时，采用基于影像分析的5点拟合法，测量精度为0.5°。另外，考虑到实际使用中采用液态金属墨水进行直写操作时，往往会对墨水施加一定的压力，所以这里除区分不同氧含量的样品外，还采用一个重为1g的聚四氟乙烯块（15mm×15mm×2mm）模拟施加压力（约9.8mN），同时研究了受压状态下接触角的状况［8］。测试环境为20℃的大气环境。测量结果如图4.18所示。

从图4.18可以看出，对于3种基底，GaIn24.5墨水的接触角都略小于GaIn24.5的接触角［8］。受压以后，测得的接触角都明显减小，可见对于液态金属印刷工艺，压力是一个重要的因素。由测量结果综合来看，对液态金属进行微量氧化以及施压后，可明显改善其与基底材料的润湿性。

同时，GaIn24.5墨水在正常情况下与3种基底的接触角都大于90°，根据Young's方程，此时为液体不能润湿固体的情形。受压后，其与硅胶板和橡胶板的接触角变得小于90°，与打印纸上的接触角却仍大于90°，即受压后GaIn24.5墨水能够润湿硅胶板和橡胶板，但仍不能润湿打印纸。这里需要指出的是［8］，在印刷工业尤其是微纳米印刷工业当中，润湿即液体在基底材料表面更大面积的铺展，实际上不利于微纳米尺度线条的精确绘制。所以，在这3种基底材料中，打印纸更适合用于微纳米尺度的液态金属电子印刷。

此外，图4.19揭示了液态金属墨水和硅胶基底的接触角随温度的变化，从图中可以看出，液态金属墨水对硅胶基底的接触角随温度升高而减小［8］。可见在高温下，液态金属墨水对硅胶基底的润湿性趋向于更佳，从而为液态金属墨水在高温下的应用提供了保障。

图4.17　3种基底材料的表面形貌［8］

a.打印纸；b.硅胶板；c.橡胶板。

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图4.18　氧和压力对GaIn24.5和GaIn24.5墨水与柔性基底接触角的影响［8］

a.打印纸；b.硅胶板；c.橡胶板。

图4.19　液态金属墨水和硅胶基底的接触角的温度依赖性［8］

将上面计算得到的液体表面张力和不同状态下接触角的数据代入Young-Dupre方程WSL=σLG（1+cosθ），得到GaIn24.5和GaIn24.5墨水在3种基底上的黏附功［8］，如图4.20所示。从图中可知，与GaIn24.5相比，GaIn24.5墨水在各种基底上的黏附功都要大，所以GaIn24.5墨水与基底的黏附性更好。氧化物的增加似乎是黏附功变化的唯一解释。并且在薄膜科学的研究中已经有这样一个共识，即一般的金属不能牢固地附着在基底上，但SiO、SiO2等氧化物以及Si、Cr、Ti、W等易氧化物质的薄膜都能较牢固地附着，这是由于氧化物的生成能大，而生成能是粒子表面能中的重要组成部分。所以常采用氧化物作为胶黏层，沉积在薄膜和基底中间以增加黏附力，然后在氧化物薄膜上再沉积金属等物质，可以获得黏附力非常大的薄膜。所以，从黏附功的观点来看，可解释为GaIn24.5中金属氧化物的增加使得GaIn24.5墨水的表面能增加，接触角减小，从而增大发生黏附的倾向并增加黏附牢度。

图4.20　GaIn24.5及GaIn24.5墨水在不同基底上的黏附功［8］

a.打印纸；b.硅胶板；c.橡胶板。