將碳排放量降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)科學(xué)家開發(fā)電子器件綠色制造技術(shù)

電子產(chǎn)業(yè)正不斷革新全球技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但與此同時(shí)，它也產(chǎn)生了顯著的環(huán)境影響。

需要了解的是，電子產(chǎn)業(yè)的碳排放量約占全球總排放量的3.7%，接近于乘用車和全球航空業(yè)的排放量。相較而言，其環(huán)境效應(yīng)目前并未受到大量關(guān)注。

在電子器件制造中，硅基材料和光刻工藝是主流工藝選擇。然而不可忽視的是，硅基材料的制造、光刻工藝的加工過程和電子產(chǎn)品的廢棄處理都對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了顯著影響。

一方面，在電子器件加工過程中，會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體排放；另一方面，電子廢棄物的不規(guī)范處置會(huì)導(dǎo)致大量有毒有害物質(zhì)，例如鉛（Pb）、汞（Hg）等，可能影響人類健康。

為解決上述問題，美國(guó)芝加哥大學(xué)田博之教授團(tuán)隊(duì)與合作者開發(fā)了一種環(huán)保的電子器件制造技術(shù)。

研究人員將可再生的生物聚合物基質(zhì)（包括紙和納米纖維素材料）使用激光進(jìn)行圖案化，并以水作為綠色驅(qū)動(dòng)劑。

在使用柔性多孔基材時(shí)，電子圖案能夠即時(shí)脫層（小于1秒）和轉(zhuǎn)移，從而顯著降低了對(duì)化學(xué)品和電力的消耗。

該研究的設(shè)計(jì)靈感來源于生物啟發(fā)的界面微納結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)，壁虎能夠在光滑的墻面上快速移動(dòng)，主要是由于其爪子表面一層獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)。

該層微納結(jié)構(gòu)因?yàn)榉兜氯A力的存在可以與墻面實(shí)現(xiàn)良好的附著，但是當(dāng)壁虎施加橫向作用力時(shí)又可以迅速剝離，這一點(diǎn)對(duì)于微納加工具有很好的借鑒意義。

微納加工的高環(huán)境影響主要來源于，加工時(shí)難以平衡基底與電路的強(qiáng)黏附力對(duì)剝離轉(zhuǎn)移的影響。

“因此我們需要使用高氧化性的蝕刻劑用于后續(xù)剝離。受壁虎啟發(fā)，我們開發(fā)了多種多孔生物材料基底，在使用水施加橫向膨脹力時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)界面快速分離。”該論文第一兼通訊作者、美國(guó)芝加哥大學(xué)博士后研究員楊傳旺表示。

其中，生物高分子的采用對(duì)膨脹過程中起到了關(guān)鍵作用，并且能夠僅用水而非高濃度腐蝕性化學(xué)品，來實(shí)現(xiàn)用于電子器件的快速分離和轉(zhuǎn)移制造。

該方法在電子制造產(chǎn)業(yè)中的碳材料分離速度比傳統(tǒng)方法快近3個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，這種方法在可持續(xù)性和減少能源消耗、化學(xué)品使用等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

生物材料的來源多樣，例如纖維素、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等。然而，傳統(tǒng)的光刻方法難以在這些材料上實(shí)現(xiàn)微納加工。因此，如何在這些基底上制備電子電路是難題之一。

該課題組首次嘗試在生物材料中添加不同的鹽，通過激光處理實(shí)現(xiàn)直接打印導(dǎo)電電路，從而顯著降低了電子器件生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)。

審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)稱：“楊等人開發(fā)了一種吸濕性的‘激活劑﹣抑制劑﹣中和劑’系統(tǒng)，用于制造和轉(zhuǎn)移微圖案，有效避免了光刻膠等有害化學(xué)品引發(fā)的環(huán)境問題。”

該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用潛力。

第一，用于醫(yī)療器械領(lǐng)域作為生物電子器件，可作為物理刺激劑用于電極刺激生物組織。

同時(shí)研究人員也展示了將電極轉(zhuǎn)移到創(chuàng)口貼上，未來可用于檢測(cè)生物信號(hào)，例如監(jiān)測(cè)患者傷口恢復(fù)進(jìn)展，并實(shí)現(xiàn)傷口監(jiān)測(cè)的電子化和原位數(shù)據(jù)收集。

第二，用于化學(xué)傳感器領(lǐng)域，通過打印技術(shù)方便地制備傳感器并嵌入電化學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)于環(huán)境條件如pH的檢測(cè)。

同時(shí)結(jié)合原位生成的金屬納米顆粒的催化特性，可用于制備小型的仿生催化傳感器，可以結(jié)合其運(yùn)動(dòng)行為檢測(cè)環(huán)境中的重金屬，如Hg（II）等。

第三，由于電極表面具有豐富的微納結(jié)構(gòu)，還可用于微型電容器的制造，同時(shí)生物材料如纖維素具有良好的柔性，因此可以用于可穿戴的柔性電極的制造。

該技術(shù)既可以銜接生物高分子激光原位制造過程中，也可與傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)相兼容。

在傳統(tǒng)光刻技術(shù)中，研究人員通過使用納米纖維素，在界面上構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)調(diào)控表面結(jié)合力的方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)光刻分離方法接近1個(gè)數(shù)量級(jí)的加速。

研究人員通過生命周期評(píng)價(jià)，系統(tǒng)地評(píng)估了該方法與傳統(tǒng)光刻方法在生產(chǎn)導(dǎo)電器件過程中的環(huán)境影響。

結(jié)果顯示，該技術(shù)在碳排放上可降低2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，同時(shí)在化學(xué)品使用和后端二氧化碳排放上也具有顯著優(yōu)勢(shì)。

在研究前期工作中，主要關(guān)注基于小規(guī)模激光制造方法，因此如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造并應(yīng)用于大規(guī)模場(chǎng)景是一個(gè)挑戰(zhàn)。

為解決該問題，研究人員結(jié)合卷對(duì)卷制造工藝進(jìn)行研發(fā)，成功開發(fā)了一套卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝并實(shí)現(xiàn)了紙基電子器件大規(guī)模生產(chǎn)和轉(zhuǎn)移。

日前，相關(guān)論文以《一種用于可持續(xù)器件微制造的仿生滲透結(jié)方法》為題發(fā)表。

在接下來的研究中，團(tuán)隊(duì)將致力于探索如何使電子產(chǎn)業(yè)更綠色環(huán)保，重點(diǎn)關(guān)注電子制造過程中的碳排放問題，并從上游生產(chǎn)制造到有效的數(shù)字化評(píng)估等多個(gè)方面進(jìn)行深入研究，以推動(dòng)電子產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。