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  近年來，作為一種無掩�？焖僦圃斓募す庵睂懠夹g(shù)（Direct Laser Writing，DLW）異軍突起，用于制備包括激光誘導石墨烯、金屬及其合金、金屬氧化物/硫化物等材料，展示了在傳感器、能源存儲和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域巨大應(yīng)用前景。但是該工藝在不規(guī)則表面上制備保形電子器件難以發(fā)揮最大的潛能。因為自然界中的物體如貝殼、石頭和樹枝等均有形狀各異的曲面和不均一的粗糙度。利用現(xiàn)有工藝完成在任意復雜曲面上制備與基底完全貼合且獲得高保真數(shù)據(jù)的三維電子器件具有很大的難度。這是由于三軸無法確保激光光束始終垂直于待加工任意三維表面，這極大限制了激光直寫技術(shù)在三維曲面保形電子領(lǐng)域的應(yīng)用。而完全貼合的曲面器件在可穿戴設(shè)備，機器人，人機互動，環(huán)境監(jiān)測，物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，因此，該工藝的研究及應(yīng)用設(shè)計十分重要。

  為解決這一問題，美國密蘇里大學機械與航空系林見課題組開發(fā)出了自由曲面激光工藝 (Direct Freeform Laser）。得益于五軸聯(lián)動平臺的高自由度和激光加工的靈活性，自由曲面激光不僅可以確保激光實時垂直于被加工曲面，而且還可以制備出激光誘導石墨烯、金屬和金屬氧化物電極與傳感材料并且無需掩模。相應(yīng)的研究成果以“Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics”于10月26日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》 上。(AFM 2021 Impact Factor = 19.924)

圖1 （a）自由曲面激光系統(tǒng)，（b）使用自由曲面激光系統(tǒng)在任意曲面上合成器件的流程圖，（c）在不同基底上加工的器件和應(yīng)用場合

圖2 （a）三軸和五軸激光的運動軌跡對比，（b-g）在球面上合成的LIG以及其性能參數(shù)，（h）不同的基底的3D掃描模型和其對應(yīng)的激光運動軌跡以及激光處理結(jié)果

圖4 （a-b）在貝殼內(nèi)部制作的銀電路，所用器件有BLE微控制器，貼片LED，光敏電阻和分壓電阻。（c）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和智能手機端app界面，（d-f）光強的變化使光敏電阻分壓變化，進而使微控制器輸出變化的電壓點亮LED。

圖5. (a) LIG傳感器附著在人工樹上。(b）風速傳感表現(xiàn)。（c）傳感器對不同風速和不同風向的傳感表現(xiàn)。(d) 不同機器學習模型在分辨風向上的表現(xiàn)。

  通過以上多種實踐應(yīng)用以及性能參數(shù)表征，研究人員證明了自由曲面激光工藝在與基底完全貼合的三維曲面電子設(shè)備的制備上的優(yōu)勢。該工藝能時刻保持激光與目標曲面垂直，所制備的器件與目標基底完全貼合，是一種一步到位的無需掩模的先進加工工藝。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210084