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npj Flexible Electronics volumen 6, Número de artículo: 44 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El montaje programable de gran superficie de diversos microobjetos en sustratos arbitrarios es una tarea fundamental pero desafiante. Aquí se propone una técnica simple de microensamblaje a nivel de oblea basada en el cambio provocado por la luz tanto en la topografía de la superficie como en la adhesión interfacial de un polímero fotosensible suave. En particular, el crecimiento del polímero regulado por la luz crea zonas elevadas y dentadas localmente en la superficie del sello. La reducción de la adhesión mediada por la luz, por otro lado, facilita que las tintas se desprendan del polímero. La interacción de estos dos efectos hace factible el ensamblaje programable de componentes ultrapequeños en varios sustratos recubiertos con capas adhesivas adicionales. La fidelidad de esta técnica se valida ensamblando diversos materiales y dispositivos funcionales, con tamaño de impresión de hasta 4 pulgadas. Este trabajo proporciona una estrategia racional para el ensamblaje programable y a gran escala de diversos microobjetos delicados, evitando los problemas comunes de algunas técnicas existentes, como la uniformidad de transferencia deficiente, el área de impresión pequeña y el alto costo.

Las técnicas para la integración heterogénea de diversos materiales desde sus sustratos cultivados en sustratos receptores de interés en los diseños deseados se han explorado ampliamente en las últimas décadas1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21. Gracias al avance en varias técnicas de microensamblaje, se ha demostrado una amplia gama de dispositivos de prueba de concepto y sistemas funcionales, lo que abre un gran potencial en diversas aplicaciones, como pantallas de alta resolución2,10,22,23,24, optoelectrónica flexible25,26,27, electrónica biointegrada28,29, electrónica curvilínea30 y muchas otras aplicaciones avanzadas19,31,32,33. Sin embargo, estos métodos de microensamblaje aún se encuentran en su etapa inicial de desarrollo. La falta de técnicas de ensamblaje maduras ha obstaculizado el camino para comercializar muchos dispositivos y aplicaciones diferentes.

La capacidad de ensamblaje programable de pequeños chips es de vital importancia7,9,13,14,20. Un mérito notable de dicha transferencia programable es el control efectivo de costos. La transferencia programable permite transferir una pequeña porción de los componentes a la vez, mientras que los dispositivos restantes aún se mantienen en el sustrato donante5,14,20. En consecuencia, se puede minimizar cualquier riesgo potencial de desperdicio del dispositivo. Otro mérito es la gestión de defectos. Los dispositivos defectuosos pueden excluirse y solo los dispositivos funcionales se transfieren selectivamente al sustrato de destino. Lo que es más importante, el microensamblaje programable permite organizar los componentes en un formato diferente al original7,9,22. Por ejemplo, el espaciado y el paso de los objetos transferidos se pueden ajustar en función de las necesidades de un usuario individual. Un ejemplo de aplicaciones que requieren ensamblaje programable es la pantalla de diodos emisores de luz a microescala (Micro-LED)7,22,24,29,34,35, que ha recibido un intenso interés de investigación por parte de la industria de las pantallas, debido a su alto brillo, bajo Consumo de energía y velocidad de conmutación rápida. Para esta aplicación en particular, se deben preparar densamente millones de chips Micro-LED con un tamaño de unas pocas decenas de micrones en obleas de origen para ahorrar costos y luego transferirlos e imprimirlos en una placa posterior accionada con los diseños deseados en una forma relativamente escasa. Si bien estos chips ultrapequeños son favorables para maximizar la densidad de chips por área, imponen serios desafíos para el ensamblaje de precisión. Con la reducción del tamaño del chip a 100 µm o menos, se informa que la fuerza de Van Der Waals (VDW) y/o la fuerza electrostática en la superficie del chip pueden dominar sobre la fuerza gravitatoria36. Como resultado, la liberación rápida y precisa de estos diminutos dispositivos basados ​​en técnicas convencionales de recoger y colocar utilizando pinzas robóticas y boquillas de vacío se vuelve cada vez más difícil. Por estas razones, es muy deseable desarrollar técnicas alternativas para el ensamblaje programable de alto rendimiento de componentes ultrapequeños con un alto rendimiento y una velocidad rápida.

Recientemente, se han propuesto varias técnicas para abordar parcialmente la capacidad de transferencia programable, pero estos métodos también tienen sus propias desventajas. Entre las diferentes técnicas de ensamblaje, la impresión por transferencia de sellos1,3,14,15,16,18,19 es un método popular que ha logrado un éxito comercial parcial. Este método utiliza un sello elástico con microestructuras de superficie diseñadas1,3,14 para modular la fuerza de adhesión, haciéndolos adecuados para la impresión por transferencia de tintas pequeñas, ultrafinas y delicadas. Sin embargo, la escalabilidad, el rendimiento de impresión y la precisión de colocación de este método aún deben mejorarse, debido a la dificultad en el control preciso de la capacidad de cambio de adhesión y la deformación del sello37,38. La impresión de área grande comúnmente sufre de mayores cantidades de defectos. Además, la transferencia programable de este enfoque depende de manera crítica de las sofisticadas microestructuras diseñadas en la superficie del sello, que generalmente se forman mediante técnicas de nanoimpresión o moldeado14,39,40, lo que aumenta los costos y la complejidad de fabricación. Recientemente, se ha propuesto un método de impresión por transferencia en seco basado en la difusión atómica para lograr una impresión sin distorsiones en áreas extensas, pero carece de la capacidad de ensamblaje programable6. Los métodos de transferencia por láser son otro tipo de técnicas populares adecuadas para el ensamblaje programable5,7,8,20. Por ejemplo, se han desarrollado técnicas de transferencia directa inducida por láser (LIFT)8,41 basadas en la ablación con láser de la capa de liberación de polímero de sacrificio, pero sufren imprecisiones de colocación y residuos superficiales. Otra técnica de transferencia por láser se basa en el calentamiento localizado y la expansión del volumen de las microesferas incrustadas en la capa adhesiva para modular la adhesión interfacial y liberar las tintas20. Sin embargo, la expansión del volumen de las microesferas en el adhesivo puede provocar un desplazamiento de posición no deseado de las tintas, lo que impone limitaciones prácticas para la impresión de alta definición. De hecho, el método solo es adecuado para imprimir componentes de cientos de micrómetros. Además, dado que este método utiliza una temperatura elevada para modular la adhesión, no es adecuado para imprimir algunos microobjetos funcionales delicados con poca estabilidad térmica, como puntos cuánticos coloidales (QD) y microesferas de poliestireno. Recientemente, hemos desarrollado una técnica de transferencia láser asistida por cinta que es poderosa para la transferencia a nivel de oblea de Micro-LED7. Sin embargo, el costo relativamente alto del sistema láser puede ser un factor limitante para su uso. El ensamblaje asistido por fluidos4,10,11 parece ser otra técnica de ensamblaje de alto rendimiento, pero la precisión de impresión se ve notablemente comprometida cuando el tamaño del chip se reduce a 100 µm o menos. Además, los chips que se van a transferir deben colocarse en un entorno fluido, que puede no ser compatible con el proceso estándar de microfabricación. También se ha informado la impresión por transferencia asistida por inmersión con precisión de impresión a nanoescala16,42, pero los principales factores limitantes de este método son la velocidad de transferencia lenta y el área de impresión pequeña.

Además del requisito de alto rendimiento y transferencia programable, una técnica de microensamblaje con la capacidad de ensamblar materiales y dispositivos en sustratos curvos también es crucial para desarrollar componentes electrónicos curvos de alto rendimiento7,19,20,26,43. En muchos casos, los dispositivos plegables o curvos son muy deseables, ya que pueden exhibir funcionalidades y rendimientos ampliados que, de otro modo, serían difíciles de lograr con sus contrapartes planas. Ejemplos representativos de tales dispositivos incluyen pantallas flexibles2, generadores de imágenes con planos focales curvos44 y lentes de contacto inteligentes con formas curvilíneas45. Sin embargo, todavía se están desarrollando tecnologías de fabricación robustas para construir tales dispositivos en grandes volúmenes. Si bien han surgido algunas tecnologías de impresión para abordar parcialmente este desafío, generalmente son difíciles de implementar con alta eficiencia y muestran poca compatibilidad con dispositivos con geometrías y topografías de superficie complicadas.

En contraste con los estímulos convencionales basados ​​en presión46, campo eléctrico47,48 y calor20, recientemente el estímulo de luz se ha convertido en una técnica cada vez más popular para inducir el cambio de adhesión de adhesivos poliméricos fotosensibles, debido a su fácil manipulación temporal y espacial49,50. Sin embargo, tales polímeros fotosensibles rara vez se utilizan para el microensamblaje programable de objetos a microescala. En este documento, informamos una estrategia racional mediante la sinergia del control de adhesión y la topografía de superficie ajustable a través de la irradiación de luz modelada para lograr un ensamblaje programable a gran escala de varios microcomponentes basados ​​en un polímero fotosensible. La técnica propuesta aquí es amigable con la tinta y compatible con la integración no plana. La impresión por transferencia a gran escala es posible gracias a la exposición por inundación del polímero fotosensible, lo que hace que el polímero cambie del estado de adhesión fuerte al estado de adhesión débil. La exposición UV enmascarada, por otro lado, proporcionó un medio adicional para modular la topografía de la superficie del polímero. En el último caso, las regiones dentadas de la superficie del polímero cambian al estado sin contacto debido al espacio que se forma entre las tintas y el polímero. Con esta topografía de superficie mediada por máscaras, así como el cambio de adhesión, los microobjetos se pueden ensamblar en un formato programable según las necesidades de los usuarios. Para probar estas capacidades, diversos materiales de tinta, como óxido de indio y estaño (ITO), nitruro de galio (GaN) y membranas de oro, se ensamblaron en varios sustratos con un tamaño de oblea de hasta 4 pulgadas, allanando el camino hacia el desarrollo de sistemas electrónicos multifuncionales. También se ha demostrado la integración conforme de nanomembranas de Au, QD de perovskita y Micro-LED de GaN en superficies curvas, lo que destaca su potencial en la electrónica curvilínea.

En comparación con los métodos informados anteriormente, la técnica presentada en nuestra investigación proporciona una solución prometedora y de bajo costo para la integración a gran escala de diversos materiales para desarrollar electrónica avanzada con funcionalidades ampliadas en un futuro próximo. No solo porque ofrece la capacidad de ensamblaje programable de áreas grandes (hasta 4 pulgadas) de componentes pequeños, ultrafinos y delicados (con un tamaño de característica de hasta 10 µm y un grosor de hasta 250 nm) bajo demanda. , pero también porque el patrón de luz ultravioleta es una técnica simple y de bajo costo ampliamente utilizada en la industria moderna de semiconductores, como el curado, la unión y la fotolitografía. Esta técnica de microensamblaje tiene un gran potencial para explorar la electrónica de alto rendimiento de próxima generación, como pantallas de alta resolución, electrónica biointegrada de control de la salud y electrónica curvilínea.

Para fabricar un sello fotosensible con capacidad de sintonización de adhesión rápida, hemos desarrollado un adhesivo polimérico fotosensible compuesto por un polímero acrílico base, un monómero reticulante de triacrilato de trimetilolpropano (TMPTA) y un fotoiniciador Darocur-1173. El polímero acrílico base es una mezcla de acrilato de 2-hidroxietilo, ácido acrílico y acrilato de butilo. El aditivo fotoiniciador dota al adhesivo polimérico de la propiedad fotorreactiva. El reticulante se añade con el fin de acelerar la disminución de la adherencia y endurecer el polímero. La relación de composición y peso de cada componente en el polímero se optimiza para maximizar el tiempo de respuesta fotográfica. El procedimiento detallado de preparación del polímero fotosensible se puede encontrar en la sección de métodos. Luego, el adhesivo polimérico se recubre sobre una lámina delgada de tereftalato de polietileno (PET) o poliolefina (PO) mediante un aplicador de película automático para formar una cinta adhesiva polimérica (Fig. 1a), que también se denomina sello fotosensible en el siguiente . En la Fig. 1 complementaria se muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) transversal de la cinta fotosensible. Inicialmente, el sello posee una adhesión muy fuerte de 132,2 N cm−2 según la prueba de pelado (Fig. 2 complementaria) y sigue siendo una topografía relativamente plana (Ra = 7,74 nm) como lo demuestra la imagen del microscopio de fuerza atómica (AFM) que se muestra en la Fig. 1a. Tras la irradiación ultravioleta de 365 nm con una densidad de potencia de 20 mW cm-2 durante solo 3 s, se producen rápidamente reacciones fotoquímicas y de reticulación del polímero, lo que conduce a una caída rápida de la fuerza de adhesión a casi 1,1 N cm-2 y un aumento en la rugosidad de la superficie (Ra = 11,3 nm) de la capa adhesiva como lo demuestra la imagen AFM que se muestra en la Fig. 1b. La figura 1c muestra la dependencia de la fuerza de adhesión en función del tiempo de exposición. Se observa que la fuerza de adhesión disminuye de 132,2 N cm−2 a 1,1 N cm−2 al aumentar el tiempo de exposición de 0 s a 3 s. La capacidad de conmutación correspondiente (definida por la relación entre la fuerza de adhesión después de la exposición y la fuerza de adhesión antes de la exposición) en función del tiempo de exposición se muestra en la Fig. 1d. Dependiendo del tiempo de irradiación, la capacidad de conmutación de la adhesión puede llegar a 117,5, lo que indica la gran posibilidad de recuperar y entregar las tintas impresas utilizando este polímero. Notamos que la reducción de la adhesión de nuestro adhesivo de polímero frente al tiempo de exposición a los rayos UV es mucho más rápida que las cintas UV disponibles comercialmente (Fig. 3 complementaria). En el último caso, tomará un par de minutos disminuir la adherencia a un valor comparable. El mecanismo subyacente de esta reducción de la adhesión inducida por la luz se puede resumir en dos factores. Uno de ellos es la formación de una estructura de red reticulada que es más dura y menos adhesiva cuando se expone a estímulos ultravioleta51. El otro factor se debe al aumento de la rugosidad de la superficie del polímero tras la exposición ultravioleta, lo que conduce a la formación de un área de contacto efectiva más pequeña en la interfaz entre el adhesivo y la superficie del objeto, lo que reduce la adhesión interfacial.

a Esquema del fuerte estado de adhesión inicial del polímero sin irradiación de luz (arriba) y morfología de la superficie AFM del adhesivo, que muestra una rugosidad superficial relativamente baja. b Esquema del estado de adhesión débil debido a la solidificación inducida por la luz (arriba) e imagen AFM de la superficie del polímero después de la irradiación con luz UV, que muestra una mayor rugosidad de la superficie. c Fuerza de adhesión del polímero fotosensible en función del tiempo de exposición UV. d Capacidad de conmutación de la adhesión del polímero en función del tiempo de exposición.

Los resultados antes mencionados sugieren que la adhesión a la superficie del polímero está estrechamente relacionada con su topografía y el grado de reticulación del polímero. Teniendo esto en cuenta, hemos estudiado más a fondo el cambio de la adhesión y la topografía de la superficie del polímero después de la irradiación ultravioleta a través de una máscara óptica, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 2a. Del mismo modo, se aplica un estímulo ultravioleta de 365 nm a 20 mW cm−2 durante 1,2 s al sello de polímero colocado sobre un soporte de vidrio a través de una fotomáscara con patrones circulares de diferentes diámetros. Es interesante notar que los patrones de máscara se han duplicado bien en la superficie del polímero, lo que da como resultado la formación de un límite nítido que separa la región de exposición y la región enmascarada (Fig. 2b). El análisis del microscopio de barrido confocal láser indica además que la región de exposición se vuelve más alta que la región sin irradiación (Fig. 2c), lo que indica el crecimiento del polímero de 1,55 µm en la región de irradiación. Cabe señalar que el soporte de vidrio debajo del sello de polímero puede evitar que el oxígeno del aire ataque la interfaz de polímero/vidrio durante la irradiación UV, lo cual es esencial para promover el efecto de crecimiento del polímero. Se observa que la altura del borde del área de exposición es mayor que en el centro (Fig. 2d). Investigaciones posteriores indican que la diferencia de altura depende del tiempo de irradiación UV. Al aumentar el tiempo de exposición de 0,8 a 2,5 s, la altura del polímero se expande gradualmente de 0,7 a 2,4 µm. Sin embargo, aumentar aún más el tiempo de exposición a 3 s no aumenta significativamente el espesor del polímero (Fig. 2e). Esto implica que el efecto de crecimiento del polímero tiende a alcanzar su umbral. Aparte del espesor del polímero modulado, también confirmamos que la fuerza de adhesión es notablemente más baja en la región de irradiación que en la región enmascarada. Por ejemplo, con un estímulo UV de 2,5 s, la fuerza de adhesión del polímero fotosensible en la región enmascarada es de alrededor de 132 N cm-2, mientras que se reduce a 12,7 N cm-2 en el área de exposición, como se muestra en la Fig. 2f. Estos resultados implican que es fácil producir un sello adhesivo inteligente con la adhesión y la altura del polímero moduladas en diferentes lugares a través de una simple exposición a la luz enmascarada. Cabe señalar que el efecto de crecimiento del polímero no se observa en la cinta UV comercial que hemos probado, lo que indica que este efecto está muy asociado con los monómeros utilizados en la síntesis del polímero.

a Esquema de la irradiación definida por máscara aplicada al polímero sensible a la luz. b Imagen óptica del polímero fotosensible después de 1,2 s de irradiación UV con una fotomáscara, que muestra el aumento del grosor del polímero en el área de exposición. c Imagen 3D confocal láser de la superficie del polímero correspondiente al área marcada por el cuadrado rojo en (b). d Perfil de la sección transversal de la superficie del polímero bajo 1,2 s de radiación UV, escaneando a lo largo de la flecha amarilla marcada en (c). La altura del polímero en función del tiempo de exposición a los rayos UV. f Fuerzas de adhesión medidas en el área de exposición y el área enmascarada. El tiempo de exposición es de 2,5 s. g Esquema del crecimiento del polímero inducido por la luz.

El crecimiento del polímero observado se puede atribuir a la difusión inducida por la polimerización52,53, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 2g. Tras la irradiación con luz ultravioleta, la concentración de TMPTA del monómero reticulante disminuye en el área de exposición debido a la fotopolimerización parcial. Por otro lado, la concentración de monómero en la región enmascarada es mayor inicialmente. Como consecuencia, la diferencia de concentración (o gradiente) del monómero TMPTA entre la región oscura y la región iluminada hace que el monómero se difunda desde la región oscura a la región de exposición. Al aumentar el tiempo de exposición a la luz, la difusión continua del monómero conduce a un mayor transporte de masa (o espesor del polímero) en el área expuesta. El hecho de que la altura del polímero sea mayor en el borde del área de exposición que en el centro indica además que los monómeros de reticulación se acumulan y polimerizan preferentemente en el borde y luego se difunden hacia el centro del área de exposición. En la información de apoyo y en la Fig. 4 complementaria se proporciona un análisis estático detallado basado en el modelo de difusión.

Inspirándonos en la capacidad de ajuste de adhesión única del polímero fotosensible, hemos desarrollado una ruta versátil para lograr un ensamblaje de alto rendimiento a nivel de oblea de componentes con diferentes dimensiones, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 3a. El proceso comienza con la preparación de los componentes imprimibles del dispositivo, que están débilmente unidos a un sustrato donante (Fig. 3a-i). Luego se imprime un adhesivo fotosensible (o un sello en lo sucesivo) y forma un contacto conforme con los dispositivos imprimibles en el sustrato donante (Fig. 3a-ii). Al despegar el sello adhesivo (Fig. 3a-iii), el sello puede recuperar fácilmente los componentes del dispositivo a nivel de oblea (Fig. 3a-iv). Para transferir más los componentes del sello fotosensible a otro receptor, se inunda la superficie adhesiva fotosensible con luz ultravioleta (Fig. 3a-v). Al imprimir el sello fotosensible con las tintas recuperadas en el receptor (Fig. 3a-vi) y despegar el sello adhesivo (Fig. 3a-vii), estas tintas se pueden liberar de manera confiable en el sustrato objetivo recubierto con una capa adhesiva (Fig. 3a-viii).

a Procedimiento propuesto de micromontaje a escala de oblea basado en el adhesivo fotosensible. b Imágenes ópticas de las tintas de nanomembrana de oro originales en una silicona de 2 pulgadas (i), las nanomembranas de oro recogidas por la primera cinta de polímero fotosensible (ii), las nanomembranas de oro transferidas a la segunda cinta fotosensible (iii) y las nanomembranas de oro nanomembranas transferidas a un sustrato de vidrio (iv). c Imágenes ópticas de tintas de nanomembrana de oro transferidas a un sustrato de PO. El tamaño característico de la nanomembrana de oro oscila entre 10 y 30 µm. El área de impresión de todas las matrices de nanomembranas de oro es <1 cm × 1 cm. d Fotografíe imágenes de las nanomembranas de oro de área grande transferidas a un sustrato de vidrio de 2 pulgadas. e Fotografía imágenes de las nanomembranas de oro de área grande transferidas a un sustrato de PET de 4 pulgadas. Para todas las pruebas de impresión por transferencia que se muestran en (b–e), el tiempo de exposición a la inundación es de 2,5 s.

El principio de funcionamiento detrás de este método es la manipulación de la adhesión interfacial a través de la irradiación de luz ultravioleta, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 5 complementaria. Inicialmente, el polímero fotosensible tiene una gran fuerza de adhesión, de modo que la adhesión interfacial entre el adhesivo de polímero fotosensible y el dispositivo \ (F_{\rm{polímero} - \rm{dispositivo}}\) es mucho mayor que entre el dispositivo y el sustrato donante \(F_{\rm{dispositivo} - \rm{donante}}\). En otras palabras, se cumple la siguiente inequidad y, por lo tanto, el dispositivo puede ser recogido por el polímero fotosensible (Fig. 5a complementaria)

Tras la irradiación con luz ultravioleta, \(F_{\rm{polímero} - \rm{dispositivo}}\) se reduce notablemente debido a la polimerización del adhesivo de polímero fotosensible, y se vuelve mucho más pequeño que la adhesión interfacial entre el tintas y el sustrato receptor recubierto con una capa de adhesión asistida \((F_{\rm{dispositivo} - \rm{receptor}})\). Por lo tanto, el dispositivo en el adhesivo de polímero se puede liberar al receptor de adhesivo (Figura complementaria 5b). Es decir, la liberación de tinta viene dada por la condición

Para demostrar la extraordinaria capacidad del sello fotosensible diseñado en la impresión por transferencia de componentes diminutos, ultrafinos y delicados, se fabrica una membrana de Au transferible de 250 nm de espesor a nivel de oblea con diferentes dimensiones que van desde submilimétricas a milimétricas en una placa de 2 pulgadas. Sustrato Si/SiO2 (Fig. 3b-i). El procedimiento detallado de fabricación de membranas de Au se puede encontrar en la Fig. 6 complementaria. Como se muestra en la Fig. 3b, varios patrones de Au con tamaños de características que van desde 500 µm a 5 mm se recogen completamente usando el sello fotosensible y se reproducen bien a partir de sus originales. , sin ninguna distorsión notable de la forma y el tamaño (Fig. 3b-ii). Además, gracias a la alta adherencia inicial del adhesivo fotosensible, la adquisición a nivel de oblea de estos patrones de Au al sello se puede terminar en unas pocas decenas de segundos, lo que implica la alta eficiencia de este proceso (Video complementario 1). Favorablemente, dado que la fuerza de adhesión puede reducirse simplemente mediante estímulos ultravioleta externos, estos dispositivos pueden voltearse y transferirse a una cinta adhesiva nueva con una duración de irradiación UV optimizada (Fig. 3b-iii y Video complementario 2). En este trabajo, encontramos que el tiempo de exposición UV de inundación optimizado es de alrededor de 2,5 s según las pruebas preliminares de impresión por transferencia utilizando pequeñas muestras de membrana de oro (Fig. 7 complementaria y notas complementarias). La repetición de estos pasos permite la posibilidad de múltiples transferencias de los objetos entre varios sustratos. Con fines ilustrativos, los mismos patrones de membrana dorada se pueden transferir completamente a un sustrato de vidrio de 2 pulgadas recubierto con una capa adhesiva SU8 (Fig. 3b-iv), obviamente sin sacrificar el rendimiento de la impresión. Si bien hasta ahora solo se ha demostrado el ensamblaje de nanomembranas de oro, este proceso también es compatible con la impresión por transferencia de diversos materiales de tinta como ITO, GaN y fotorresistente AZ4620 (Fig. 8 complementaria).

En particular, este método se puede ampliar fácilmente para ensamblar objetos discretos a nivel de oblea con tamaños de características más pequeños por debajo de 10 µm. Para demostrar esta capacidad, se fabrican matrices de Au de alta densidad y 250 nm de espesor en tres obleas de silicio típicas de diferentes dimensiones (<1 cm por 1 cm, 2 pulgadas y 4 pulgadas), seguidas de impresión por transferencia a diferentes sustratos usando la foto -sellos sensibles. Independientemente del tamaño del sustrato y el material del sustrato, en todos los casos, las matrices de Au de alta densidad se recogen por completo con el sello adhesivo y se entregan con éxito en el sustrato receptor, como se muestra en la Fig. 3c-e. La figura 3c muestra los patrones de Au de alta calidad con tamaños de características que van desde 10 a 30 µm impresos en un sustrato de PO. El área de impresión para cada matriz Au es <1 cm × 1 cm. Independientemente del tamaño de la característica (10 a 30 µm) y el espaciado (25 a 43 µm), el rendimiento de impresión es de casi el 100 % para todas las matrices de Au en todo el sustrato. En un esfuerzo más reciente, se demostró aún más la impresión de alta fidelidad de una matriz Au de 40 nm de espesor y 4 µm de tamaño en un paso de 7,5 µm (Fig. 9 complementaria), lo que destaca el potencial para reducir aún más el tamaño de la función de impresión. Se utilizan estrategias similares para ensamblar nanomembranas de Au de área grande en obleas más grandes, incluida una oblea de vidrio de 2 pulgadas (Fig. 3d) y un sustrato de PET de 4 pulgadas (Fig. 3e y Fig. 10 complementaria). Aunque las áreas de impresión aumentan sustancialmente, los rendimientos de transferencia no se ven comprometidos de forma evidente en ambos casos. Por ejemplo, se puede lograr un alto rendimiento de impresión de más del 99,9 % para la impresión por transferencia de 4 pulgadas. Si bien no se explora más en este trabajo, creemos que nuestra técnica es compatible con la impresión de áreas grandes de 6 pulgadas o incluso más grandes en diversos sustratos. En contraste con las tecnologías existentes que a menudo se limitan a la transferencia de áreas pequeñas, nuestra técnica tiene el potencial distintivo para el ensamblaje a gran escala de varios componentes.

Cabe señalar que, para las pruebas de impresión por transferencia anteriores, todos los sustratos receptores (excepto la cinta adhesiva UV) se han recubierto con una capa adhesiva SU8 de 2 µm de espesor adicional (Microchem SU8 2002). Esta capa de adhesión no solo ayuda a compensar la débil adhesión residual del sello fotosensible después de la exposición, sino que también ayuda a superar la fuerza electrostática superficial no despreciable y/o la fuerza VDW asociada con las tintas diminutas. Se informó que estas fuerzas superficiales son factores dominantes que afectan la liberación confiable de las tintas diminutas si no se eliminan adecuadamente.

Además de la capacidad de transferencia a escala de obleas, la precisión de colocación y la uniformidad de impresión de estos objetos transferidos a microescala también son factores críticos que deben abordarse en los procesos posteriores. Los ejemplos de tales procesos posteriores incluyen la metalización para formar contactos óhmicos en el dispositivo transferido y la apertura de vía para la interconexión de múltiples dispositivos. Todos estos procesos plantean el requisito estricto de uniformidad de impresión y mínimo error de registro. Las grandes compensaciones de posición pueden conducir a resultados desastrosos, por ejemplo, formando circuitos abiertos debido a la desalineación. Se han verificado las uniformidades de impresión en cinco puntos a lo largo de la oblea (Fig. 11 complementaria). Los rendimientos de impresión constantes y los tamaños de las características en estas diferentes ubicaciones indican que se minimiza la distorsión del patrón transferido. Además, evaluamos cuantitativamente la precisión de transferencia de nuestro método de transferencia, como se muestra en la figura complementaria 12. Notamos que el desplazamiento de impresión a lo largo del eje X y el eje Y muestra una correlación mínima con la posición de impresión. Independientemente del área de transferencia, un análisis estadístico de los datos entre cinco áreas diferentes en la oblea de 4 pulgadas revela que el desplazamiento de impresión más grande es de solo ±0,4 µm. La alta precisión de impresión en la gran área de impresión es otro mérito de la tecnología actual.

Si bien la transferencia a nivel de oblea de todos los objetos desde el sustrato donante al receptor de una manera 1:1 es popular, hay muchos casos que requieren la transferencia selectiva de una parte de los componentes del área designada. Aquí demostramos que nuestra técnica es factible para la transferencia programable. Aunque las técnicas de transferencia láser y transferencia de sellos PDMS1,3,15,41 pueden abordar parcialmente este desafío, creemos que la transferencia selectiva activada por foto es notablemente más simple de implementar y más rentable, ya que aquí el sello simplemente se forma a través de una luz definida por máscara. patrón, que no implica el uso de costosas instalaciones y complicados procesos de litografía.

Para ilustrar esta extraordinaria capacidad, usamos un proceso de transferencia similar mencionado anteriormente en la Fig. 3a, pero después de la exposición a la inundación del quinto paso, el sello de polímero fotosensible se irradia más selectivamente usando una fotomáscara (Fig. 4a). La exposición inicial a la inundación disminuye la adhesión interfacial del sello, mientras que la exposición posterior de la máscara desencadena el crecimiento del polímero fotoinducido en el área de exposición, lo que da como resultado la formación de una topografía de superficie ondulada. Usando este proceso modificado (Fig. 4b), hemos transferido con éxito tintas GaN discretas a un sustrato receptor de manera programable. Los detalles de fabricación de las tintas GaN se pueden encontrar en la sección de métodos. En la Fig. 4c, d, se muestra un ejemplo de dos patrones opuestos que consisten en tintas de GaN ensambladas en forma de corazón, para las cuales se usa una exposición de inundación de 1,5 s, seguida de una exposición enmascarada de 1,5 s. El primer patrón que se muestra en la Fig. 4c corresponde a la matriz de tinta de GaN transferida al sustrato de PET final, mientras que el último en la Fig. 4d es la matriz de tinta de GaN que queda en el sello adhesivo. Con esta estrategia de exposición dual, estos patrones se reproducen bien a partir de la máscara fotográfica respectiva. Cabe señalar que tanto el tiempo de exposición de la inundación como el tiempo de exposición de la máscara aquí deben optimizarse para lograr un alto rendimiento de transferencia. Si la exposición inicial a la inundación es demasiado larga, la exposición posterior de la máscara no desempeñará un papel fundamental en la inducción del crecimiento del polímero debido a la solidificación total del polímero sensible a los rayos UV. Por otro lado, si la exposición de inundación inicial es demasiado corta y la exposición enmascarada es demasiado larga, será difícil una liberación fiable de las tintas recuperadas. De hecho, existe una clara evidencia de que se generarán más tintas defectuosas si falta la exposición inicial a la inundación (Figura complementaria 13). Atribuimos esto a la gran adherencia inicial del sello, que es difícil de compensar con la capa adhesiva en el receptor si no se usa la exposición de inundación.

una máscara en forma de corazón utilizada para la irradiación UV selectiva. b Imagen óptica de la matriz de tinta GaN en el adhesivo de polímero fotosensible antes de la exposición selectiva. La sombra en forma de corazón que se muestra en (b) es una guía para los ojos y corresponde a la región donde no quedará expuesta. c Imagen óptica de la matriz de tinta de GaN en forma de corazón transferida al receptor mediante una exposición de inundación de 1,5 s y una exposición selectiva de 1,5 s. d Imagen óptica de las tintas de GaN que quedan en la cinta adhesiva original después de la transferencia programable. e Topografía 3D confocal de la matriz de tinta de GaN y la superficie adhesiva después de la exposición de la máscara pero antes de la transferencia, que revela que las tintas de GaN en el área enmascarada son más altas, mientras que las tintas de GaN en el área de exposición están incrustadas en la capa de polímero. El área de escaneo se toma de la región marcada por el rectángulo rojo que se muestra en (b). f Perfil de altura de los dispositivos de GaN escaneando a lo largo de la línea amarilla marcada en (e). g Ilustración esquemática del principio de funcionamiento de la transferencia programable. Se forma un espacio entre el área de irradiación y el área enmascarada, debido a la redistribución del polímero inducida por la luz. Las tintas de GaN en el área de exposición son absorbidas completamente por el polímero irradiado. Esta es la razón principal por la que las tintas de GaN en la región enmascarada se transfieren al sustrato final.

Para obtener una comprensión más profunda del mecanismo de transferencia selectiva, hemos examinado el perfil 3D de las tintas en la región enmascarada y la región no enmascarada inmediatamente después de la exposición de la máscara, pero antes de la transferencia (Fig. 4e). El área de escaneo en la Fig. 4e se toma del área correspondiente marcada por el rectángulo rojo en la Fig. 4b. Encontramos que el espesor del polímero en el área expuesta es más alto que en la región enmascarada, de acuerdo con la observación experimental descrita anteriormente en la Fig. 2. Sin embargo, todas las tintas de GaN en el área de irradiación están incrustadas en el polímero reticulado (Fig. 4e) . Por otro lado, las tintas de GaN en la región enmascarada aún mantienen sus estados originales y no se observan tales efectos de incrustación (Fig. 4e). En consecuencia, las tintas de GaN en la región enmascarada, correspondiente al área donde se transferirán las tintas (Fig. 4c), son más altas que las de la región irradiada. La diferencia de altura real es de alrededor de 1,6 µm en este contexto (Fig. 4f).

Del análisis anterior, concluimos que el mecanismo de transferencia programable se puede atribuir a la diferencia de altura regulada por la luz de las tintas entre el área de exposición y el área enmascarada, así como a la fuerza de adhesión interfacial reducida del sello, como se muestra esquemáticamente en Figura 4g. La exposición ultravioleta enmascarada (Fig. 4g-i) crea un transporte de masa complicado del polímero desde el área enmascarada hasta el área irradiada, lo que da como resultado la formación de una región marcada localmente y una región elevada en el sello (Fig. 4g-ii). Las tintas en la región elevada entrarán en contacto con el receptor, mientras que las de la región contraída no lo harán (Fig. 4g-iii). Debido a que el receptor es más pegajoso que el sello (después de la primera exposición de inundación), esto facilita el montaje selectivo de las tintas elevadas en el receptor (Fig. 4g-iv).

La mayoría de los dispositivos y sistemas funcionales se construyen sobre sustratos planos. Sin embargo, muchas aplicaciones emergentes han impulsado el desarrollo de la electrónica con curvas. Ejemplos de tales aplicaciones incluyen pantallas de lentes de contacto45 y ojos electrónicos con planos de enfoque curvos44. Estos dispositivos son generalmente más difíciles de construir, ya que la litografía convencional se basa principalmente en sustratos planos. Aquí mostramos que nuestra técnica es muy compatible con el microensamblaje en superficies curvas. Esto surge de la naturaleza blanda del sello adhesivo de hoja delgada que permite el contacto conforme con la superficie curva, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 5a. Para demostrar esta capacidad, se colocaron con éxito membranas de oro ultrafinas a microescala con dimensiones de 40 µm por 70 µm en una superficie de botella de vidrio con curvas con un alto rendimiento de transferencia, como se muestra en la Fig. 5b. Se observa que estas membranas de Au están libres de distorsiones de forma y arrugas, lo que revela la alta fidelidad de este método. Además, comparamos la propiedad eléctrica de un píxel de Au individual antes y después de la transferencia y no se encuentra ningún cambio obvio en la resistencia, como lo indican las curvas IV en la Fig. 5c.

a Proceso de impresión de transferencia esquemática en superficies curvas. b Imágenes ópticas y SEM de las nanomembranas de oro transferidas a la superficie de la botella con curvas, con un tiempo de exposición de inundación de 1,2 s. c IV características de la nanomembrana de oro. d Esquema de las tintas PQD formadas en un sustrato de vidrio mediante recubrimiento por goteo secuencial (izquierda) e imágenes de las tintas PQD antes de la excitación (arriba a la derecha) y después de la excitación (abajo a la derecha). e Imágenes ópticas de las tintas PQD transferidas a la superficie de la botella antes de la excitación (izquierda) y después de la excitación (derecha). El tiempo de exposición a la inundación es de 2,5 s. f Características fotoluminiscentes (PL) de los PQD antes y después de la transferencia.

Además del ensamblaje de patrones Au, la impresión por transferencia QD35 es otra aplicación potencial de la técnica actual, que puede ser aún más desafiante. Los QD de perovskita (PQD) son una clase de nanocristales que tienen el uso potencial para pantallas QD de alto rendimiento. Sin embargo, suele ser un desafío ensamblar PQD en un sustrato extraño según los métodos existentes, ya que no son muy estables e inevitablemente sufren una degradación del rendimiento cuando se exponen al agua y a un entorno rico en oxígeno. Afortunadamente, según nuestra técnica de transferencia en seco, estos PQD mezclados con poliestireno (PS) se imprimen fácilmente en la superficie de un recipiente de vidrio con alta fidelidad. Los detalles de la síntesis y caracterización de PQD se pueden encontrar en la Fig. 14 complementaria. Con fines ilustrativos, en este caso particular, el patrón de puntos de PQD se forma en el sustrato de vidrio mediante una simple gota secuencial de unas pocas gotas de PQD (Fig. 5d) , y luego transferido impreso a la pared lateral de la botella de vidrio (Fig. 5e) utilizando el polímero fotosensible. El hecho de que la intensidad fotoluminiscente de los PQD después de la transferencia sea comparable a la de antes de la transferencia (Fig. 5f), lo que implica que no hay una degradación evidente de la calidad del QD derivada de la impresión. Esto se puede verificar adicionalmente mediante la observación de que no se puede detectar ninguna emisión adicional del sustrato de vidrio original tanto visual como ópticamente.

Como prueba de concepto, demostramos aún más el uso de nuestra técnica para ensamblar Micro-LED con fines de visualización. Los micro-LED son LED miniaturizados con dimensiones típicas de unas pocas decenas de micrones, que han recibido un intenso interés de investigación para desarrollar pantallas de alta resolución, debido a sus excelentes características como tiempo de respuesta corto y bajo consumo de energía, alto brillo, alta estabilidad , y larga vida útil7,22,24,34. Sin embargo, la construcción de una pantalla de visualización Micro-LED de alta definición enfrenta una gran cantidad de problemas técnicos en esta etapa, como la transferencia masiva, la colorización completa y la gestión de defectos. Entre estos problemas, un enfoque altamente confiable para ensamblar una gran cantidad de Micro-LED de manera ultraprecisa y de bajo costo es de vital importancia para la industrialización de la tecnología de pantalla Micro-LED.

Aquí, al explotar la capacidad de ajuste de la adhesión del adhesivo de polímero fotosensible sobre los estímulos UV, mostramos que los Micro-LED densos se pueden ensamblar fácilmente en el sustrato de destino de una manera simple. Con fines ilustrativos, se utilizan técnicas estándar de microfabricación y grabado en húmedo para fabricar Micro-LED imprimibles en obleas LED basadas en Si disponibles comercialmente (Fig. 15 complementaria) en una configuración tal que cada Micro-LED está suspendido y atado por SiO2 usando una estrategia similar reportada por Kim et al.54 (Fig. 6a). El procedimiento de fabricación detallado de dichos Micro-LED de GaN transferibles se puede encontrar en la Fig. 16 complementaria. Siguiendo el procedimiento de impresión por transferencia que se muestra en la Fig. 17 complementaria, estos dispositivos Micro-LED débilmente unidos en Si <111> pueden liberarse fácilmente mediante rompiendo las ataduras y luego transferido a un objetivo de vidrio transparente recubierto con un SU8 como capa de adhesión (Fig. 6b). Gracias al sólido proceso de transferencia y la gran capacidad de conmutación de adhesión del sello fotosensible, se ha logrado un rendimiento de transferencia de casi el 100 % del Micro-LED. La inspección SEM y el análisis de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) confirman que los chips transferidos están libres de contaminación (Fig. 18 complementaria). La degradación eléctrica minimizada se confirma comparando la característica IV de los Micro-LED en la oblea de Si <111> de crecimiento original con los transferidos al sustrato de vidrio, lo que indica que el proceso de transferencia ha minimizado los efectos secundarios en el rendimiento del dispositivo (Fig. 6c). Sin embargo, la longitud de onda de emisión se desplaza ligeramente hacia el rojo, debido a la liberación de tensión durante la socavación de los dispositivos LED55 y/o el calentamiento de la unión56 (Fig. 6d).

a Imágenes ópticas de Micro-LED anclados formados en un sustrato de silicio antes de la impresión por transferencia. b Las imágenes ópticas de matrices Micro-LED se transfieren impresas a un sustrato de vidrio con diferentes aumentos. El tiempo de exposición a la inundación es de 2,5 s. c IV características del Micro-LED antes de la transferencia y después de la transferencia. d Espectros EL del Micro-LED antes y después de la transferencia. La corriente de inyección es de 6 mA. e Imagen óptica de los Micro-LED que quedan en el adhesivo original después de la transferencia selectiva. f Imagen óptica de los Micro-LED en forma de flecha transferidos selectivamente a un sustrato de PET, con una exposición de inundación de 1,5 s y una exposición enmascarada de 1,5 s. g Imagen de emisión de la matriz Micro-LED impresa en forma de flecha con un píxel encendido por sondas. h Imágenes ópticas de micro-LED en forma de flecha impresos selectivamente integrados en la superficie curva de una botella de vidrio (izquierda y arriba a la derecha), y la misma matriz con un píxel encendido, después de la integración en la superficie curva (abajo a la derecha). i IV características del Micro-LED sobre un sustrato plano y un sustrato con curvas, j Espectros EL del Micro-LED sobre un sustrato plano y un sustrato con curvas.

Además de la transferencia única anterior (es decir, transferencia completa no selectiva), los Micro-LED también se pueden ensamblar en formatos programables en función de las necesidades del usuario a través de la exposición a la inundación seguida de la irradiación UV selectiva utilizando una fotomáscara. Un ejemplo del patrón de Micro-LED programable dispuesto en forma de "flecha" se puede encontrar en la Fig. 6e, f. La Figura 6e muestra el patrón de Micro-LED que queda en la cinta original, mientras que la Fig. 6f muestra los Micro-LED transferidos al sustrato receptor. La figura 6g muestra la imagen de emisión de un píxel encendido en la matriz impresa. Claramente, una transferencia da como resultado la formación de dos patrones opuestos, incluido un patrón negativo y un patrón positivo. Estos Micro-LED impresos selectivamente pueden pegarse e integrarse aún más en superficies curvas de botellas, lo que destaca el potencial en el desarrollo de componentes electrónicos curvos, como se muestra en la Fig. 6h. Se muestra claramente que los Micro-LED en forma de flecha en la superficie curva (con un radio de curvatura de 20 mm) siguen siendo completamente funcionales, sin degradación eléctrica aparente (Fig. 6i) y óptica (Fig. 6j). Simplemente modificando los patrones de máscara, se pueden lograr varios patrones programables (Fig. 19 complementaria), destacando las extraordinarias capacidades de la impresión de transferencia programable de nuestra técnica propuesta basada en el cambio de adhesión inducido por la luz.

Estos Micro-LED discretos impresos selectivamente, seguidos de cableado de metal, se pueden integrar en dispositivos de visualización Micro-LED. La Figura 7a muestra esquemáticamente una arquitectura de dispositivo de ejemplo, que consiste en el sustrato de vidrio, Micro-LED, capas aislantes SU8, así como las interconexiones de metal. La imagen óptica del dispositivo resultante que consta de 25 × 20 Micro-LED direccionados en paralelo se muestra en la Fig. 7b. Los detalles de fabricación de este dispositivo se pueden encontrar en la Fig. 20 complementaria. La Figura 7c, d muestra las imágenes de emisión del dispositivo con una corriente de inyección de 1 mA, tomadas bajo el campo brillante y el campo oscuro, respectivamente. Se observa que la emisión en toda la matriz es muy uniforme y todos los píxeles son completamente funcionales. La característica IV del dispositivo de visualización Micro-LED se muestra en la Fig. 7e. Se observa que el dispositivo muestra un comportamiento de rectificación normal similar a los LED convencionales de gran tamaño, con un voltaje de encendido típico de alrededor de 2,5 V. La Figura 7f muestra los espectros EL en función de la corriente de inyección. La longitud de onda de emisión máxima es casi constante al aumentar la corriente de inyección de 0 a 50 mA, lo que revela la estabilidad de trabajo de este dispositivo de pantalla Micro-LED.

una vista despiezada de la arquitectura del dispositivo de pantalla Micro-LED interconectado. b Imagen óptica de la matriz Micro-LED de 25 × 20 resultante. c Imagen de campo claro de la matriz completa encendida. d Imagen de campo oscuro de la matriz completa encendida. e IV del dispositivo de visualización Micro-LED interconectado. f Espectros EL dependientes de la corriente del dispositivo de matriz Micro-LED interconectado.

En resumen, hemos presentado una técnica de impresión por transferencia simple pero poderosa basada en un adhesivo polimérico conmutable por luz, que permite la impresión por transferencia selectiva y de gran área de varios materiales de tinta en sustratos planos y curvos. Nuestra técnica supera algunos límites de las técnicas de impresión por transferencia actualmente disponibles. En primer lugar, la capacidad de conmutación de la adhesión del sello se ajusta simplemente mediante la irradiación ultravioleta externa, que se usa ampliamente en la industria moderna de los semiconductores, como el curado, la unión y la fotolitografía. El estímulo ultravioleta ha minimizado el daño a las tintas que se van a transferir, ya que se puede enviar de forma remota al objeto de destino. En segundo lugar, el método actual facilita la formación de un sello estampado a través de una simple irradiación enmascarada sin necesidad de acceder a costosas herramientas de litografía y nanoimpresión, que de otro modo serían necesarias en otras técnicas. Lo que es más importante, la tecnología actual tiene la capacidad para un ensamblaje rápido y de gran superficie (hasta 4 pulgadas) de componentes funcionales ultrapequeños y delicados de manera programable en arreglos organizados espacialmente con diseños arbitrarios. Una comparación más detallada de nuestra técnica con los métodos de impresión por transferencia existentes se resume en la Tabla complementaria 1, que revela claramente algunas ventajas distintas de nuestra técnica, incluida la capacidad de procesamiento de tinta ultrafina, una mayor precisión de impresión y áreas de impresión más grandes. La técnica de impresión por transferencia propuesta aquí, basada en el adhesivo polimérico conmutable por luz, puede abrir una amplia gama de aplicaciones potenciales, como pantallas de alta resolución y electrónica flexible. Notamos que la precisión de colocación del método actual es más pobre que la técnica de transferencia asistida por inmersión42, pero el área de transferencia por tiempo y la velocidad de transferencia mejoraron significativamente.

Observamos que algunas otras cintas, como la cinta de liberación térmica (TRT)57 y las cintas solubles en agua58, se han utilizado para la impresión por transferencia. Estos métodos, sin embargo, normalmente solo son adecuados para transferencias únicas, ya que carecen de la capacidad de transferencia selectiva. Una excepción es el uso de un láser pulsado en combinación con una cinta TRT para lograr la transferencia selectiva20, pero el proceso es más complejo y costoso. También abordamos una limitación del método actual. Debido al cambio de adhesión irreversible del adhesivo de polímero, la cinta fotosensible no se puede utilizar repetidamente para la impresión por transferencia. Sin embargo, el costo de fabricación extremadamente bajo y la capacidad superior para la impresión de gran área del polímero fotosensible, lo convierten en una buena opción para el ensamblaje programable a gran escala de tintas a microescala. Además, notamos algunos nuevos adhesivos poliméricos sensibles a la luz49,50 con cambios de adhesión reversibles y repetibles que se han informado recientemente. Sin embargo, si estos polímeros son factibles para el ensamblaje programable a gran escala de objetos a microescala o no, es una pregunta abierta que queda por aclarar. El desarrollo de tales adhesivos fotosensibles y de adhesión intercambiable puede representar la futura dirección de investigación para extender la técnica actual de microensamblaje regulada por luz.

Los monómeros de acrilato de butilo (BA), acrilato de 2-hidroxietilo (HEA) y ácido acrílico (AA) con una proporción de masa de 82,7:10:7,3 se mezclaron uniformemente durante 30 minutos para formar un prepolímero acrílico. La mezcla obtenida luego se mezcló adicionalmente con triacrilato de trimetilolpropano (TMPTA) agente de reticulación (0,3% en peso) y fotoiniciador 1173 (1% en peso) durante 2 h para formar el adhesivo fotosensible.

Se colocó un sello fotosensible de 1 cm x 5 cm en un portaobjetos de vidrio limpio. Luego, se conectó a la celda de carga del aparato de pelado (Fig. 2 complementaria). La fuerza de pelado de 90° que se usó para cuantificar la fuerza de adhesión interfacial del sello fotosensible se midió a varias intensidades ultravioleta y tiempo de exposición. La fuerza de pelado se calculó promediando la fuerza máxima de pelado de tres ensayos repetitivos. A continuación, la fuerza de adhesión se definió como la fuerza de pelado medida dividida por el área adhesiva del polímero.

El procedimiento de fabricación de membranas de Au transferibles ultrafinas se muestra esquemáticamente en la figura complementaria 6. Se depositó una capa de sacrificio de grabado de SiO2 en una oblea limpia de Si <100> utilizando un sistema de deposición de vapor químico mejorado con plasma (PECVD) (Oxford Plasmalab 800Plus) . En la parte superior de la película de SiO2, se revistió por hilado una capa fotorresistente AZ2035 y se modeló mediante litografía óptica. El siguiente paso fue depositar 250 nm, Au, usando un evaporador de haz de electrones de metal (DE400) a una presión base de <5 × 10−7 Torr, seguido de un proceso de despegue de metal usando solvente de acetona para quitar la fotorresistencia. . Luego, la capa de sacrificio de SiO2 se socavó mediante grabado BOE diluido durante 60 s utilizando el patrón de Au como máscara, lo que resultó en forma de matrices de membrana de Au suspendidas débilmente unidas al sustrato y listas para imprimir.

Los micro-LED de Si-GaN se fabricaron a partir de obleas comerciales de GaN/Si <111>, con pilas epi que constaban de p-GaN de 150 nm dopado con Mg, pozos cuánticos múltiples (MQW) de InGaN/GaN de 200 nm, pozos cuánticos múltiples (MQW) de 1600 nm -GaN dopado con Si y tampón GaN de 1450 nm (Fig. 15 complementaria). El procedimiento de fabricación se muestra esquemáticamente en la figura complementaria 16. El proceso comenzó depositando una película conductora transparente ITO (250 nm) en p-GaN mediante el uso de un sistema de pulverización, seguido de un recocido térmico rápido a 550 ° C durante 5 min en O2 ambiente para formar un contacto óhmico con p-GaN. Se realizó un grabado en húmedo con una solución de HCl para formar un patrón de ITO bien definido utilizando una resistencia AZ4620 definida por fotolitografía como máscara. A continuación, se utilizó la misma máscara fotorresistente AZ4620 para exponer las regiones de n-GaN mediante grabado en seco mediante un sistema de plasma acoplado inductivamente (ICP) (sistema Oxford Plasmalab 133). Después de quitar la capa protectora residual, se depositó una capa de SiO2 de 500 nm mediante PECVD, seguido de grabado en húmedo con BOE para formar una máscara de SiO2 modelada utilizando la fotoprotección AZ 4620 definida por litografía. Esta máscara de SiO2 se usó luego para definir estructuras de matriz de mesa de GaN aisladas, que también definen el área de emisión (50 μm × 80 μm). Se depositó una capa de pasivación de SiO2 de 300 nm mediante PECVD y se modeló mediante fotolitografía. Las almohadillas metálicas de contacto p y contacto n (Ti: 10 nm/Au: 350 nm) se depositan a través de un evaporador de haz de electrones, seguido de un proceso de despegue utilizando un fotorresistente AZ2035 estampado. Luego, las almohadillas de contacto formadas se templaron a 450 °C durante 45 s en una atmósfera de O2. Finalmente, se realizó un grabado anisotrópico de socavado del silicio sumergiendo la muestra en una solución de TMAH a 85 °C durante 30 minutos para formar estructuras Micro-LED ancladas para la impresión por transferencia.

Las estructuras de mesa rectangulares de GaN se formaron mediante litografía y grabado en seco profundo ICP hasta el sustrato de Si, basado en una oblea de GaN con una capa de GaN de 4 μm en Si <111>. Las mesas de GaN formadas se sirvieron luego como máscaras para socavar el silicio debajo, lo que da como resultado la formación de tintas de GaN imprimibles unidas débilmente al sustrato.

El adhesivo de polímero fotosensible se revistió sobre una capa de respaldo de PET o PO mediante un aplicador automático de película delgada para formar un sello fotosensible. A continuación, se imprimió el sello de polímero en las tintas de la oblea de origen mediante el uso de un rodillo. Al despegar el sello de polímero, las tintas se pueden recuperar de la oblea de origen. El sello, junto con las tintas, se imprimió en el receptor cubierto con una capa adhesiva SU8, que ayuda a liberar las tintas del sello. Posteriormente, se realizó una exposición a la luz ultravioleta para reducir la adherencia del sello. Finalmente, se habilitó la impresión de transferencia de tinta en el receptor quitando el sello fotosensible.

Los dispositivos Micro-LED se imprimieron por transferencia desde la oblea de origen al sustrato de destino, utilizando el procedimiento descrito en otra parte (Fig. 17 complementaria). Se llevó a cabo una fotolitografía utilizando una capa de pasivación de tono negativo SU8-2002 como capa de pasivación de la pared lateral, de modo que tanto el p-pad como el n-pad quedan expuestos. Después del curado SU8 (exposición ultravioleta 60 s y horneado a 100 °C durante 20 min en aire), se depositaron interconexiones metálicas (Ti/Al/Ni/Au en el espesor deseado) mediante un sistema de pulverización catódica (Kurt. J. Lesker), seguido por AZ 2035 patrón fotorresistente y despegue de metal en acetona.

El análisis de morfología y estructura se realizó con microscopio metalográfico (Leica), microscopio confocal de barrido láser (Olympus), microscopio electrónico de barrido (S-4800 FESEM), microscopía de fuerza atómica (Dimension Edge, Bruker) y Profile-system (Dektak XT , Bruker). El material se caracterizó con Difracción de Rayos X (Smartlab 9kw, RIGAKU). Las mediciones eléctricas se realizaron con un analizador de parámetros de semiconductores (B1505A, Keysight) combinado con una estación de sonda (TS2000-HP, MPI). Las mediciones ópticas de los espectros de emisión se realizaron con una estación de sonda (Prober PG 2101, Detech).

Todos los datos están contenidos en el manuscrito. Los datos sin procesar están disponibles de los autores correspondientes a pedido razonable.

El código está disponible del autor correspondiente a petición razonable.

Meitl, MA et al. Impresión de transferencia por control cinético de adhesión a un sello elastomérico. Nat. Estera. 5, 33–38 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Parque, SI et al. Conjuntos impresos de diodos emisores de luz inorgánicos para pantallas deformables y semitransparentes. Ciencia 325, 977–981 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Kim, S. et al. Superficies elastoméricas microestructuradas de adhesión reversible y ejemplos de su uso en ensamblaje determinista por impresión transfer. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 107, 17095–17100 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Knuesel, RJ & Jacobs, HO Autoensamblaje de chips microscópicos en una interfaz líquido-líquido-sólido que forma una célula solar monocristalina segmentada flexible. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 107, 993–998 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Luo, H. et al. Impresión de transferencia sin contacto programable impulsada por láser de objetos en receptores arbitrarios a través de un sello microestructurado elastomérico activo. ciencia nacional Rev. 2, 296–304 (2019).

Google Académico

Heo, S. et al. Impresión instantánea de transferencia en seco multiescala mediante control de difusión atómica en interfaces heterogéneas. ciencia Adv. 7, eabh0040 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Pan, Z. et al. Micro-LED a escala de oblea transferidos a una película adhesiva para pantallas planas y flexibles. Adv. Mate. Tecnología 5, 2000549 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Miller, R., Marinov, V., Swenson, O., Zhigang, C. y Semler, M. Colocación selectiva asistida por láser sin contacto de dados de semiconductores adelgazados. Trans. IEEE. componente Paquete Fabricación Tecnología 2, 971–978 (2012).

Artículo Google Académico

Kum, H. et al. Técnicas de crecimiento epitaxial y transferencia de capas para la integración heterogénea de materiales para dispositivos electrónicos y fotónicos. Nat. Electrón. 2, 439–450 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Jacobs, HO, Tao, AR, Schwartz, A., Gracias, DH y Whitesides, GM Fabricación de una pantalla cilíndrica mediante ensamblaje estampado. Ciencia 296, 323 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Zheng, W., Buhlmann, P. & Jacobs, HO Autoensamblaje secuencial dirigido por soldadura y forma de microsistemas funcionales. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 101, 12814–12817 (2004).

Artículo CAS Google Académico

Yi, H. et al. Películas adhesivas de hidrogel que responden a la humedad, reconfigurables y biocompatibles para la impresión por transferencia de nanomembranas. Adv. Función Mate. 28, 1706498 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Chung, J., Zheng, W., Hatch, TJ y Jacobs, HO Autoensamblaje reconfigurable programable: integración paralela heterogénea de componentes a escala de chip en superficies planas y no planas. J. Microelectromecánica. sist. 15, 457–464 (2006).

Artículo Google Académico

Carlson, A. et al. Superficies elastoméricas activas y programables con adhesión ajustable para montaje determinista mediante impresión por transferencia. Adv. Función Mate. 22, 4476–4484 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Carlson, A., Bowen, AM, Huang, Y., Nuzzo, RG & Rogers, JA Técnicas de impresión por transferencia para ensamblaje de materiales y fabricación de micro/nanodispositivos. Adv. Mate. 24, 5284–5318 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Trinidade, AJ et al. Impresión por transferencia con precisión a nanoescala de diodos emisores de luz AlInGaN ultradelgados sobre sustratos mecánicamente flexibles. aplicación física Letón. 103, 253302 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Jeong, JW et al. Impresión de nanotransferencia de alta resolución aplicable a diversas superficies a través de la conmutación de adhesión dirigida a la interfaz. Nat. común 5, 5387 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Onoe, H., Iwase, E., Matsumoto, K. & Shimoyama, I. Integración tridimensional de microestructuras de silicio heterogéneas mediante despegue y transferencia de estampado. J. Micromech. Microing. 17, 1818–1827 (2007).

Artículo CAS Google Académico

Sim, K. et al. Electrónica con curvas tridimensionales creada mediante impresión de sellos aditivos conformes. Nat. Electrón. 2, 471–479 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Wang, C. et al. Impresión de transferencia programable y escalable con alta confiabilidad y eficiencia para electrónica inorgánica flexible. ciencia Adv. 6, eabb2393 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zumeit, A., Dahiya, AS, Christou, A., Shakthivel, D. y Dahiya, R. Matrices de nanocintas de silicio impresas por transferencia de rollo directo basadas en electrónica flexible de alto rendimiento. npj Flex. Electrón. 5, 18 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Bower, CA et al. Pantallas emisivas con ensamblajes impresos por transferencia de diodos emisores de luz inorgánicos de 8 μm × 15 μm. Fotónica Res. 5, A23 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Choi, MK et al. Matriz de diodos emisores de luz de punto cuántico rojo-verde-azul portátil que utiliza impresión de transferencia de huecograbado de alta resolución. Nat. común 6, 7149 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Meng, W. et al. Pantalla micro-LED monolítica tridimensional impulsada por una matriz de transistores atómicamente delgada. Nat. Nanotecnología. 16, 1231–1236 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Lee, KJ et al. Una forma imprimible de nitruro de galio monocristalino para sistemas optoelectrónicos flexibles. Pequeño 1, 1164–1168 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Lee, KJ et al. Transferencia selectiva de área grande de silicio microestructurado: un enfoque basado en la impresión para transistores de película delgada de alto rendimiento soportados en sustratos flexibles. Adv. Mate. 17, 2332–2336 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Ahn, JH et al. Electrónica tridimensional heterogénea mediante el uso de nanomateriales semiconductores impresos. Ciencia 314, 1754–1757 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Kim, DH et al. Películas solubles de fibroína de seda para electrónica biointegrada conforme ultrafina. Nat. Mate. 9, 511–517 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Kim, RH et al. Optoelectrónica impermeable AlInGaP sobre sustratos estirables con aplicaciones en biomedicina y robótica. Nat. Mate. 9, 929–937 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Ko, HC et al. Una cámara ocular electrónica hemisférica basada en optoelectrónica de silicio comprimible. Naturaleza 454, 748–753 (2008).

Artículo CAS Google Académico

Jang, KI et al. Diseños de redes tridimensionales autoensambladas para electrónica blanda. Nat. común 8, 15894 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Huang, Z. et al. Electrónica extensible integrada tridimensional. Nat. Electrón. 1, 473–480 (2018).

Artículo Google Académico

Park, JK, Zhang, Y., Xu, B. y Kim, S. Transferencia de patrones de membranas delgadas a gran escala con interfaz de autodeslaminación controlable para sistemas funcionales integrados. Nat. común 12, 6882 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Jiang, HX, Jin, SX, Li, J., Shakya, J. & Lin, JY III-micropantallas de azul nitruro. aplicación física Letón. 78, 1303–1305 (2001).

Artículo CAS Google Académico

Choi, HW, Jeon, CW y Dawson, MD Micropantalla de nitruro de 128X96 de alta resolución. Dispositivo de electrones IEEE Lett. 25, 277–279 (2004).

Artículo CAS Google Académico

Lu, Z., Chen, PCY & Lin, W. Detección y control de fuerza en micromanipulación. Trans. IEEE. sist. Hombre cibernético. PC, aplicación Rev. 36, 713–724 (2006).

Artículo Google Académico

Tormen, M., Borzenko, T., Steffen, B., Schmidt, G. & Molenkamp, ​​LW Uso de sellos elastoméricos ultrafinos para reducir la distorsión del patrón en la impresión por microcontacto. aplicación física Letón. 81, 2094–2096 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Perl, A., Reinhoudt, DN & Huskens, J. Impresión por microcontacto: limitaciones y logros. Adv. Mate. 21, 2257–2268 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Kim, S. & Sitti, M. Microfibras de polímero de inspiración biológica con puntas de espátula como adhesivos fibrilares repetibles. aplicación física Letón. 89, 261911 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Sameoto, D. & Menon, C. Un método de fabricación de alto rendimiento y bajo costo para producir adhesivos secos biomiméticos optimizados. J. Micromech. Microing. 19, 115002 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Marinov, VR 52-4: tecnología láser de velocidad extremadamente alta para montaje de µLED. Excavar. tecnología Papilla. - Interno SID. Síntoma 49, 692–695 (2018).

Artículo Google Académico

McPhillimy, J. et al. Sistema automatizado de alineación de precisión absoluta a nanoescala para impresión por transferencia. Aplicación ACS. Nano Materia. 3, 10326–10332 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Sim, K., Rao, Z., Li, Y., Yang, D. y Yu, C. Matrices de microsonda penetrante optoelectrónica de Si impresas por transferencia ultradelgada conforme de superficie curva. npj Flex. Electrón. 2, 2 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Rao, Z. et al. Lectores de imágenes con curvas que se adaptan a la forma basados ​​en píxeles optoelectrónicos impresos con un diseño kirigami. Nat. Electrón. 4, 513–521 (2021).

Artículo Google Académico

Parque, J. et al. Lentes de contacto suaves e inteligentes con integraciones de circuitos inalámbricos, sensores de glucosa y pantallas. ciencia Adv. 4, eaap9841 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Mohammadi Nasab, A., Luo, A., Sharifi, S., Turner, KT y Shan, W. Adhesión conmutable a través de la modulación de la presión del subsuelo. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 12, 27717–27725 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Chopra, V., Chudak, M., Hensel, R., Darhuber, AA y Arzt, E. Mejora de la adhesión en seco de micropatrones poliméricos mediante campos eléctricos. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 12, 27708–27716 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Kim, S. et al. Electroadhesivos de nanocompuestos blandos para impresión digital por micro y nanotransferencia. ciencia Adv. 5, eaax4790 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Zhou, Y. et al. Adhesivo de polímero de luz conmutable basado en transiciones reversibles de sólido a líquido fotoinducidas. ACS MacroLet. 8, 968–972 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Feng, W., Chu, L., de Rooij, MB, Liu, D. & Broer, DJ Fotoconmutación entre la adhesión tolerante al agua y la liberación rápida mediante la inversión de la topografía de huellas dactilares de cristal líquido. Adv. ciencia 8, 2004051 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Hohl, DK & Weder, C. Desprendimiento bajo demanda con adhesivos ópticamente intercambiables. Adv. Optar. Mate. 7, 1900230 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Sánchez, C. et al. Fotorelieve de estructuras periódicas en relieve usando difusión inducida por polimerización: un estudio combinatorio. Adv. Mate. 17, 2567–2571 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Leewis, CM, de Jong, AM, van Ijzendoorn, LJ & Broer, DJ Modelo de reacción-difusión para la preparación de rejillas de polímero mediante iluminación ultravioleta modelada. Aplicación J. física 95, 4125–4139 (2004).

Artículo CAS Google Académico

Kim, HS et al. Estrategias inusuales para usar nitruro de indio y galio cultivado en silicio (111) para iluminación de estado sólido. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 108, 10072–10077 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Fu, WY & Choi, HW Explicación de los desplazamientos al rojo espectrales relativos en los micropilares InGaN/GaN. Óptica 5, 765–773 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Gong, Z. et al. Salida de luz dependiente del tamaño, cambio espectral y autocalentamiento de diodos emisores de luz InGaN de 400 nm. Aplicación J. física 107, 013103 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Li, L. et al. Integración heterogénea de diodos emisores de luz de GaN a microescala y sus características eléctricas, ópticas y térmicas en sustratos flexibles. Adv. Mate. Tecnología 3, 1700239 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, J. et al. Método de impresión de transferencia de cinta soluble en acetona de alto rendimiento para integración heterogénea. ciencia Rep. 9, 15769 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Descargar referencias

El Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (No. 2021YFB3600203); El Programa de Investigación y Desarrollo de Área Clave de la Provincia de Guangdong (Subvención No. 2019B010925001, 2020B010183001 y 2020B0101320002); la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Concesión No. 62104050 y 62104049); La Fundación de Ciencias Postdoctorales de China (Subvención No. 2020M672551); La Fundación de Investigación Básica y Básica Aplicada de Guangdong (Subvención No. 2020B1515120020, 2020A1515110509 y 2019A1515110682); El Proyecto de Desarrollo Científico y Tecnológico de GDAS (Concesión No. 2019GDASYL-0103071).

Instituto de Semiconductores, Academia de Ciencias de Guangdong, No. 363 Changxing Road, Guangzhou, 510650, China

Chan Guo, Zhangxu Pan, Changhao Li, Shenghan Zou, Chao Pang, Jiantai Wang, Jinhua Hu y Zheng Gong

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ZG concibió el proyecto de investigación. CG, ZP y CL diseñaron y realizaron los experimentos sobre impresión por transferencia. SZ, CP y JW realizaron los experimentos sobre la síntesis de polímeros. ZP y CL realizaron los experimentos sobre la fabricación de Micro-LED. CG, ZP, CL y ZG analizaron los datos. Todos los autores discutieron los datos y escribieron el artículo.

Correspondencia a Zheng Gong.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Guo, C., Pan, Z., Li, C. et al. Ensamblaje programable a gran escala de microcomponentes funcionales para electrónica avanzada a través de adhesión regulada por luz y crecimiento de polímeros. npj Flex Electron 6, 44 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00180-w

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Recibido: 08 marzo 2022

Aceptado: 30 de mayo de 2022

Publicado: 14 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-022-00180-w

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