將碳排放量降低2個數量級，科學家開發電子器件綠色製造技術

電子產業正不斷革新全球技術和經濟發展，但與此同時，它也產生了顯著的環境影響。

需要瞭解的是，電子產業的碳排放量約佔全球總排放量的 3.7%，接近於乘用車和全球航空業的排放量。相較而言，其環境效應目前並未受到大量關注。

在電子器件製造中，矽基材料和光刻工藝是主流工藝選擇。然而不可忽視的是，矽基材料的製造、光刻工藝的加工過程和電子產品的廢棄處理都對環境產生了顯著影響。

一方面，在電子器件加工過程中，會產生大量溫室氣體排放；另一方面，電子廢棄物的不規範處置會導致大量有毒有害物質，例如鉛（Pb）、汞（Hg）等，可能影響人類健康。

為解決上述問題，美國芝加哥大學田博之教授團隊與合作者開發了一種環保的電子器件製造技術。

研究人員將可再生的生物聚合物基質（包括紙和納米纖維素材料）使用激光進行圖案化，並以水作為綠色驅動劑。

在使用柔性多孔基材時，電子圖案能夠即時脫層（小於 1 秒）和轉移，從而顯著降低了對化學品和電力的消耗。

該研究的設計靈感來源於生物啟發的界面微納結構。研究人員發現，壁虎能夠在光滑的牆面上快速移動，主要是由於其爪子表面一層獨特的微納結構。

該層微納結構因為範德華力的存在可以與牆面實現良好的附著，但是當壁虎施加橫向作用力時又可以迅速剝離，這一點對於微納加工具有很好的借鑒意義。

微納加工的高環境影響主要來源於，加工時難以平衡基底與電路的強粘附力對剝離轉移的影響。

「因此我們需要使用高氧化性的蝕刻劑用於後續剝離。受壁虎啟發，我們開發了多種多孔生物材料基底，在使用水施加橫向膨脹力時，能夠實現界面快速分離。」該論文第一兼通訊作者、芝加哥大學博士後研究員楊傳旺表示。

其中，生物高分子的採用對膨脹過程中起到了關鍵作用，並且能夠僅用水而非高濃度腐蝕性化學品，來實現用於電子器件的快速分離和轉移製造。

該方法在電子製造產業中的碳材料分離速度比傳統方法快近 3 個數量級，同時，這種方法在可持續性和減少能源消耗、化學品使用等方面具有顯著優勢。

生物材料的來源多樣，例如纖維素、脂質和蛋白質等。然而，傳統的光刻方法難以在這些材料上實現微納加工。因此，如何在這些基底上製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，通過激光處理實現直接打印導電電路，從而顯著降低了電子器件生產對環境的負擔。

審稿人對該研究評價稱：「楊等人開發了一種吸濕性的‘激活劑-抑製劑-中和劑’系統，用於製造和轉移微圖案，有效避免了光刻膠等有害化學品引發的環境問題。」

該技術具有廣泛的應用潛力，具體來說：

第一，用於醫療器械領域作為生物電子器件，可作為物理刺激劑用於電極刺激生物組織。

同時研究人員也展示了將電極轉移到創口貼上，未來可用於檢測生物信號，例如監測患者傷口恢復進展，並實現傷口監測的電子化和原位數據收集。

第二，用於化學傳感器領域，通過打印技術方便地製備傳感器並嵌入電化學系統中實現對於環境條件如 pH 的檢測。

同時結合原位生成的金屬納米顆粒的催化特性，可用於製備小型的仿生催化傳感器，可以結合其運動行為檢測環境中的重金屬，如 Hg（II）等。

第三，由於電極表面具有豐富的微納結構，還可用於微型電容器的製造，同時生物材料如纖維素具有良好的柔性，因此可以用於可穿戴的柔性電極的製造。

該技術既可以銜接生物高分子激光原位製造過程中，也可與傳統的微納加工技術相兼容。

在傳統光刻技術中，研究人員通過使用納米纖維素，在界面上構建微納結構調控表面結合力的方式，從而實現對傳統光刻分離方法接近 1 個數量級的加速。

研究人員通過生命週期評價，系統地評估了該方法與傳統光刻方法在生產導電器件過程中的環境影響。

結果顯示，該技術在碳排放上可降低 2 個數量級以上，同時在化學品使用和後端二氧化碳排放上也具有顯著優勢。

在研究前期工作中，主要關注基於小規模激光製造方法，因此如何實現大規模製造並應用於大規模場景是一個挑戰。

為解決該問題，研究人員結合卷對卷製造工藝進行研發，成功開發了一套卷對卷生產工藝並實現了紙基電子器件大規模生產和轉移。

芝加哥大學博士後研究員楊傳旺是第一作者兼通訊作者，博士生黎鵬舉是第二作者，美國加州大學洛杉磯分校金麗華副教授和芝加哥大學田博之教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Sustainability）

在接下來的研究中，團隊將致力於探索如何使電子產業更綠色環保，重點關注電子製造過程中的碳排放問題，並從上遊生產製造到有效的數字化評估等多個方面進行深入研究，以推動電子產業的綠色轉型。

參考資料：

1.Yang, C., Li, P., Wei, C. et al. A bioinspired permeable junction approach for sustainable device microfabrication.Nature Sustainability(2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01389-5

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