ドリームインク液体金属回路印刷

2019年5月、南極熊が北京孟志摩を訪問しました。

液体金属電磁波シールドコーティング

液体金属導電性ペースト

液体金属の柔軟で伸縮性のある回路

完成した回路を数秒で印刷

Dreammo の第一世代液体金属回路プリンター

プリントアンテナ回路

印刷したばかりの回路は光沢度が高い

液体金属回路で作られた教育用製品は、人間の磁場のようにスイッチを感知できる

液体回路塗装は伝統的な塗装に新たな方法をもたらす

ガリウムおよびガリウムベースの合金は、低融点、高表面張力、柔軟な変形可能性、良好な熱伝導性と電気伝導性、低毒性などの優れた特性を備えた典型的な常温液体金属です。液体金属をベースとしたアプリケーションは、これまでに高度な熱管理、フレキシブルエレクトロニクス、ソフトロボティクス、バイオメディカルなど、多くの分野に拡大されてきました。他の金属と同様に、空気とガリウムベースの液体合金の界面にも、薄い自己制限酸化膜が容易に形成されます。これまでの一連の研究では、酸化前後の表面張力の変化を利用して、酸性またはアルカリ性溶液中の液体金属のさまざまな動きや変形挙動を誘発してきました。しかし、これまで酸化膜自体の物理的特性についてはあまり注目されてきませんでした。

β-Ga2O3は、4.6～4.9eVの超ワイドバンドギャップ、高い破壊電界、大きなバリガ性能指数（BFOM）を有する新興半導体材料であり、次世代の高出力電子デバイスの製造候補材料の一つです。しかし、β-Ga2O3 膜の大面積堆積は非常に困難であるため、β-Ga2O3 膜に基づく電子デバイスの実現は常に困難な問題となっていました。実際、Ga ベースの液体金属の表面をコーティングする酸化物層は、大面積の β-Ga2O3 フィルムの製造において驚くべき新しい用途を切り開くことができます。

2次元（2D）材料には、圧電特性や光学特性など、バルク材料とは異なる多くの興味深い特性があることはよく知られています。その多様な応用可能性により、学術界は対応する合成戦略に特別な注意を払うようになり、さまざまな革新的な方法の導入により、合成戦略は徐々に大幅に拡大してきました。 2012年、中国科学院物理化学研究所の劉静教授らの研究グループは、30ページに及ぶ将来予測論文で、液体金属ガリウムなどの材料をベースに各種導体や半導体を直接作製し、機能デバイスを構築するDREAMインクの原理と方法を初めて発表した。2017年には、オーストラリアのカランタール・ザデ研究グループが、ガリウム系液体金属の独特の反応環境を利用して、比較的容易な合成ルートを模索した。ファンデルワールス力に基づいて表面酸化膜を分離する方法は、極薄の酸化ガリウム層を得るための新しい方法を生み出し、他の機能性二次元材料の合成戦略をさらに豊かにしました。理論的には、このようにして作られた材料は、薄膜半導体装置の構築において独自の利点を持っています。しかし、現在までに、液体金属を直接使用して機能デバイスを製造する試みは国際的にほとんど行われておらず、これらの材料を使用して電界効果トランジスタの半導体層を準備することに関する探究には多くのギャップがあり、学術界では依然としてこれらの2次元材料の電気的特性に関する研究が大きく不足しています。

【実績紹介】
最近、清華大学医学部、中国科学院物理化学研究所、北京孟志摩科技有限公司の共同チームは、液体金属表面酸化物と基板との衝突プロセスを利用して、シリコンウエハレベルの薄膜半導体を印刷および製造する新しい方法を報告しました。対応する研究では、液体金属液滴の落下高さと後処理温度が酸化物層の形成に及ぼす影響が明らかになり、大面積β-Ga2O3薄膜製造方法の最適化が期待されます。薄いβ-Ga2O3層をベースに、従来のドーピング方法よりも簡単かつ高速な方法により、高移動度（約21 cm2 V-1 s-1）および高オンオフ比（約7×104）のトランジスタデバイスを実現することに成功しました。さらに、この論文では、より低い破壊電圧を示すβ-Ga2O3を付着させたシリコンウェーハの電気特性の変化パターンを明らかにしています。この成果により、2D半導体材料をベースにした電子デバイスの実用化が促進されることが期待されます。研究結果は、国際的に有名なジャーナル「Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters」に「室温液体金属酸化物皮膜による電子デバイス構築における準2次元半導体β-Ga2O3の印刷」というタイトルで掲載されました。論文の共同筆頭著者は、清華大学博士課程の学生リン・ジュと中国科学院物理化学研究所のポスドク研究員リー・チアンです。責任著者は清華大学教授で物理化学研究所の研究員であるリウ・ジンです。

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