巨量轉移是指將大數量的物質或粒子從源端分離並移動到目標端，以滿足應用需求的技術。其在微電子製造，奈米技術和3D列印技術等多個領域都起到關鍵作用。一個完整的物料轉移系統通常包括轉移和釋放兩個關鍵工藝，即首先以某種作用力將元件與原基板分離，再將元件釋放在目標基板的特定位置。物料轉移的常見方法有四種：精準拾取，滾軸轉印，自組裝技術和鐳射轉移，然而，這些方法都有自身的侷限性。如：轉移頭的尺寸限制，工業成本高等。
摩擦電奈米發電機(TENG)可以低成本、高效率地將環境機械能轉化為電能，可以在各種工作環境中作為有效的能量收集器。TENG還可以有效控制具有電響應特性的高內阻材料。將具有不同電響應特性的智慧材料或裝置與TENG耦合是構建自供電智慧系統的一種簡單有效的方法。近期，中科院北京奈米能源所的陳翔宇研究員聯合清華大學的褚祥誠副教授提出了一種基於摩擦奈米發電機(TENGs)和光響應介質材料協同作用的大批次微小物體的轉移系統。在鐳射的刺激下，光響應薄膜的電導率在1ms內可提高兩個數量級，導致鐳射光斑處的表面電位消失，圖案或尖狀物體釋放。這種光響應策略既可以實現微小物體的大量轉移，又可以實現元件在設計位置的高選擇性釋放。這種靜電力和光電導率的協同機制為半導體和晶片工業實現高效、精確的傳質系統提供了一種不同的途徑。
圖1：協同傳輸系統的概念和工作機制。（a）系統的應用場景圖。（b）高壓轉軸式的結構設計。（c）光響應薄膜的實物圖和放大的俯檢視。
該系統主要分為兩個部分，第一部分是以轉軸式高壓TENG（CH-TENG）產生的高壓靜電場作為電源，為光響應介面實現元件搬移提供充足且可控的電粘附力。我們將該CH-TENG作為傳送帶系統的從動輪以適配物料轉移這一應用，利用電荷積累策略實現了高壓輸出。該部分結合外部電路可實現導電，半導體和非導電元件的元器件的電黏附。透過外部電路中開關的切換就能實現小型元件的整體搬運和釋放，這為需要高壓供電的物料轉移的應用場景提供了經濟實用的解決方案。CH-TENG可以整合到任何旋轉軸型結構中，可以在40ms內提供高達8千伏的高壓輸出，這表明了一種新的高成本效益替代高壓電源。實驗表明，光響應介面上的最大粘附載荷約為98 mg/mm 2，可以應對幾乎所有常用組分的吸附。
圖2 靜電吸附系統的構建及其實際效果的演示。（a）CH-TENG在不同轉速下的開路輸出電壓。（b）照片靜電粘附系統實現對不同材料的吸附。（c）光響應介面的有效面積與可吸附質量的依賴關係。（d）大批次元器件的靜電傳輸和釋放。
第二部分是利用鐳射快速掃描光響應介面實現元件的釋放，該部分的核心是電導率可隨光照發生變化的有機光導薄膜。我們透過簡單的，低成本的旋塗鍍膜的方法在ITO玻璃上製備了以TiOPc為主要原料的光導膜。在幾乎黑暗的條件下，該薄膜的電阻可達到GΩ級別，與CH-TENG的輸出阻抗相匹配。隨著光照強度的增加，材料中的空穴和電子等自由電荷載流子濃度會明顯增加，並在材料中迅速的移動，從而增加了材料的導電效能。且薄膜的電導率還隨著薄膜厚度的增加而增加。薄膜厚度為10 μm時，光導率在1ms內可提高500倍，保證了光響應介面上元件在光點處的快速釋放。
圖3：TiOPc薄膜的設計與表徵。a) TiOPc薄膜的製備工藝。b)薄膜及各組分的XRD圖譜。c) TiOPc薄膜的分光光度吸光度。d)厚度和光強對薄膜電導率的影響。e)薄膜在鐳射照射下的紅外熱像
光照可明顯使得介面處的電吸附力明顯減小，在光照之前，其表面電荷緩慢下降，光照後其表面電位的衰減明顯增快，且衰減速率隨光照強度的增加而增加。這是因為光電導效應產生的載流子移動到薄膜表面時，會改變表面的電荷分佈，從而改變了表面的電位。當光照強度越大時，光生載流子濃度越大，從而導致表面電位變化更顯著。
圖4：光響應介面的效能與整合系統中定點釋放的實現過程。a)光照和電壓對靜電吸附力的影響。b)不同材料的光和吸附基底對靜電吸附力的影響。c)光照會加劇表面電位的衰減速度。d)不同光強對錶面電勢的影響。e) COMSOL模擬二維電場強度分佈。f)空間電荷密度的一維變化示意圖。g)靜電吸附和光控釋放10 × 10個元器件。
最終，該工作顯示了透過鐳射掃描控制目標元件的單點或是圖案化的釋放的流程。該工作為大批次元件的轉移提供了一種新的思路，可以在同一轉移介面上實現元件的吸附和圖案化釋放。此外，由CH-TENG，光導薄膜和光源組成的類似系統也可以用於靜電除塵等不同的用途。文章發表在《 Advanced Functional Materials》上，第一作者為北京奈米能源與系統研究所碩士生董烜沂，陳翔宇研究員和清華大學褚祥誠老師是共同通訊作者。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202314478
來源：高分子科學前沿
宣告：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
