液态金属图案表面化学成分和形貌

对墨水分别为GaIn24.5和Ga68.5 In21.5 Sn10的液态金属图案进行能量散射X射线（energy dispersive X-ray，EDX）分析，结果显示在图11.7中。从图中可以看出，对于墨水GaIn24.5，金属图案的表面包含Ga、In和O3种元素，质量分数分别为74.93%、24.41%和0.66%。Ga、In的百分比含量与墨水中2种元素的百分比非常接近，O成分主要是由于液态金属图案表面氧化物的存在所致。同样，对于墨水Ga68.5 In21.5 Sn10，表面存在Ga、In、Sn、O 4种元素，其质量分数分别为68.11%、21.86%、9.73%、0.30%。墨水为GaIn24.5金属图案的X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS，Mg KαX射线源）的分析结果显示在图11.8中。光电子谱主峰对应的结合能为18.2 eV，对应的成分为纯Ga；而另外两个峰对应的结合能为20.8 eV和19.8 eV，分别是Ga2 O3和Ga2 O［44，45］的特征线；此外，对应16.3 eV的峰是In 4d（In0）［40，46］的特征线。

图11.7　墨水分别为GaIn24.5（a）和Ga68.5 In21.5 Sn10（b）的液态金属图案表面能谱分析图［36］

液态金属图案表面的SEM图像显示在图11.9中，从图中可以看出表面存在的散乱小颗粒，这主要是在基底上未融合的液态金属微液滴；表面的不平整是由于液态金属氧化物降低了其流动性。我们使用光学轮廓仪（NT9100M）测量了金属图案的表面形貌，显示于图11.10a中，测量的均方根粗糙度为1.27μm，表面的沟槽可能是由于液滴的溅射所致。更细致的表面形貌显示于图11.10b中，测量工具为原子力显微镜（型号：Veeco Dimension D3100 AFM），均方根粗糙度和平均粗糙度测量值分别是115 nm和90.2 nm，可以看出，在纳米尺度上液态金属图案仍存在表面起伏。

图11.8　Ga 3d的XPS谱［36］

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图11.9　液态金属图案表面的SEM图片［36］

为了观察单个液态金属微液滴的形貌，笔者实验室做了如下实验：将液态金属GaIn24.5置于去离子水中，使用一台超声破碎仪对液态金属进行破碎，去离子水中由于分散了金属小颗粒而变得浑浊，用吸管取出水溶液滴在TEM铜网上并用透射电子显微镜观察，TEM照片如图11.11所示。从图中可以看到，液态金属微液滴呈现球形，其原因在于GaIn24.5有较大的表面张力（0.624N·m-1）。

图11.10　液态金属图案的三维表面形貌

测量仪器：a.光学轮廓仪［37］；b.原子力显微镜［36］。

图11.11　GaIn24.5液滴的TEM图［36］