本发明涉及一种转移印刷技术，尤其涉及一种基于双稳态结构的磁控转印印章及转印方法，可用于任意图案化的电子元器件的转移印刷。
背景技术：
转印技术是一种多功能的材料装配技术，它通过一种柔软的聚合物印章将大量的离散制备的电子元器件从传统的刚性基底(施主基底)转移到另一非传统(例如，柔性或可拉伸)的接收基底(受主基底)上，从而装配形成二维或三维空间上有序的集成阵列(可参见罗鸿羽,令狐昌鸿,宋吉舟.可延展柔性无机电子器件的转印力学研究综述[j].中国科学:物理学力学天文学,2018,v.48(09):134-148.)。因该聚合物印章制作方便，成本低，转印效率高，可转印材料范围广，所以常被用于各种电子器件的集成和制备。如薄膜太阳能电池(thin-filmsolarcells)、柔性电容器(flexiblecapacitors)、发光二极管(leds)、柔性电极、柔性显示屏等都通过转印技术进行组装。
一般，转印技术的过程分为拾取和印刷两个步骤。从施主基底上拾取元件时要求印章/元件界面的粘附力要强于元件/基底的粘附力，向受主基底上印刷元件时要求印章/元件之间的粘附力要弱于元件/基底之间的粘附力。因此，调控印章/元件的界面粘附力是实现转印拾取和印刷的关键。
现有的转印技术，如率相关的转印技术(meitlm,zhuz,kumarv,etal.transferprintingbykineticcontrolofadhesiontoanelastomericstamp[j].naturematerials,2006,5(1):33-38.)，表面浮雕转印技术(kims,wuj,carlsona,etal.microstructuredelastomericsurfaceswithreversibleadhesionandexamplesoftheiruseindeterministicassemblybytransferprinting[j].proceedingsofthenationalacademyofsciences,2010,107(40):17095-17100.)，剪切增强转印技术(carlsona,kim-leehj,wuj,etal.shear-enhancedadhesivelesstransferprintingforuseindeterministicmaterialsassembly[j].appliedphysicsletters,2011.)，激光热失配转印技术(lir,liy,lüc,etal.thermo-mechanicalmodelingoflaser-drivennon-contacttransferprinting:two-dimensionalanalysis[j].softmatter,2012,8(27):7122-7127.)和面积调控转印技术(carlsona,wangs,elvikisp,etal.active,programmableelastomericsurfaceswithtunableadhesionfordeterministicassemblybytransferprinting[j].advancedfunctionalmaterials,2012,22(21):4476-4484.)等都是通过调节印章和元件之间的界面粘附来实现转印的。
然而，这些方法都是通过减小界面粘附强度的方式来减小印章和元件之间的界面粘附，这受到材料参数、分离速度、预压力、接触面积等因素的影响，调控范围有限，无法直接释放印章强界面粘附下的元件，限制了其应用范围。
技术实现要素：
本发明针对现有转印技术的不足，提出了一种基于双稳态结构的磁控转印印章及转印方法。该结构能够提供更强的释放性能，使印章能够从强粘附的界面上释放元件。所述的转印印章自上而下依次由印章主体、双稳态结构磁性薄膜和设于双稳态结构磁性薄膜底部的粘附块组装而成，所述的印章为二维印章；所述的印章主体上设置有贯穿其底部的空腔阵列，用于为双稳态结构磁性薄膜提供变形空间；双稳态结构磁性薄膜的固定端由印章主体和粘附块贴合固定。
其具体转印方法为：1)拾取时，将印章按压在元件表面，利用印章上的粘附块和元件之间的界面粘附力拾取元件；2)印刷时，将印章移动到受主基底上方，对印章上的双稳态磁性薄膜施加磁场使薄膜向下变形跳跃，在元件表面产生冲击力和变形挤压力，使元件克服与印章之间的界面粘附力，完成非接触式的印刷。
除上述拾取方式外，还可以利用向外弹出的双稳态结构磁性薄膜对元件表面施加变形挤压力，抵消印章上的粘附块对元件的粘附力，而没有被抵消粘附力的区域可以拾取元件，实现选择性拾取过程。
除了上述非接触式的印刷方式外，在印刷时还可以将带有元件的印章按压在受主基底表面，实现接触式的印刷，提高印刷位置的精准度和印刷成功率。
除了上述磁场持续作用的印刷方式外，在印刷时通过磁场的瞬时开关，使磁性薄膜能够变形跳跃，对元件施加冲击力和变形挤压力，实现元件的释放。磁场的快速开关，提高了操作上的安全性，降低了能耗。
外加磁场可以为全局驱动或局部驱动，在全局驱动下实现大规模高效率的转印；在局部驱动下实现可编程的图案化转印。
印章主体可选用易于加工，较高模量的无磁性材料，如pdms(聚二甲基硅氧烷)等聚合物材料，无磁金属材料或亚克力等高分子材料，较高模量确保在转印过程中印章主体不会有较大变形，无磁性确保印章主体不会受到磁场的影响。
双稳态结构磁性薄膜可采用铁箔等高模量强磁性的金属材料。高模量和强磁性允许薄膜对元件施加大的冲击力和变形挤压力，能够显著提升印章的印刷能力。或采用高聚物和磁性颗粒形成的混合材料。双稳态结构磁性薄膜的模量至少为gpa级别，其磁性要求为：在磁场作用下双稳态结构磁性薄膜受到的磁力能够使其发生跳跃翻转。
粘附块可选用单层或双层结构，如pdms、smp等易于制备的粘性聚合物单层结构，由低模量基底材料和胶带等粘性材料组成的双层结构。单层或双层结构都是为了保证印章粘附块能够对元件有较强的粘附拾取力。
优选的，为方便印章的制备，可以将印章主体材料和印章粘附块材料都选为pdms(聚二甲基硅氧烷)。通过合理调节pdms本体和固化剂的比例来调节pdms的模量，减少转印过程中印章主体的变形和增强粘附块拾取时的粘附力。
优选的，为提高印刷性能，可以将双稳态磁性薄膜材料选为铁箔。
本发明的有益效果是：印章结构简单且成本低廉；印刷响应时间快，印刷效率高；能够在常温或真空下实现非接触的转印；具有更强的拾取和印刷性能；通过改变磁场的作用范围，既能实现高效的全局转印，也能实现精准的图案化转印。
附图说明
图1是本发明提出的基于双稳态结构的磁控转印印章的最小单元的结构示意图。
图2是本发明提出的基于双稳态结构的磁控转印印章的转印原理图。
图3是本发明提出的基于双稳态结构的磁控转印印章进行接触式印刷的流程图。
图4是本发明提出的对基于双稳态结构的磁控转印印章施加瞬态磁场进行印刷的流程图。
图5是本发明提出的对基于双稳态结构的磁控转印印章施加全局磁场实现大规模非接触式转印的流程图。
图6是本发明提出的对基于双稳态结构的磁控转印印章施加局部磁场实现可编程选择性拾取的流程图。
图7是本发明提出的对基于双稳态结构的磁控转印印章施加局部磁场实现可编程图案化非接触式印刷的流程图。
图中：1-印章主体2-未跳跃变形的双稳态结构磁性薄膜3-已跳跃变形的双稳态结构磁性薄膜4-粘附块5-元件6-施主基底7-受主基底8-竖直向下的磁场
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的内容。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图1为本发明的基于双稳态结构的磁控转印印章的最小单元的结构示意图。印章主体1的材料为制备有方形空腔阵列的pdms(固化剂与本体配比为1:10)；双稳态结构磁性薄膜选用铁箔金属材料；双稳态结构磁性薄膜固定端表面的粘附块4的材料为固化剂与本体配比为1:10的pdms；这些结构一起组成完整的转印印章。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图2是本发明中提出的基于双稳态结构的磁控转印印章的转印原理图。图2中a-c：利用粘附块拾取元件。图2中d-f：在持续作用的竖直向下的磁场8中，双稳态结构磁性薄膜变形跳跃，印刷元件。
先将印章移动到位于施主基底6的元件5上方(图2a)，向下移动使粘附块4和元件5接触(图2b)，利用粘附块4的粘性将元件5从施主基底6上剥离(图2c)，实现拾取过程。
之后将带有元件5的印章转移到受主基底7上方，与受主基底7保持一间距，持续施加竖直向下的磁场8(图2d)，使因受到磁力而发生变形跳跃的双稳态结构磁性薄膜3对元件5产生一个冲击力和变形挤压力，将元件5从印章上印刷到受主基底7上(图2e)，最后印章撤离，实现非接触式印刷过程(图2f)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图3是本发明提出的基于双稳态结构的磁控转印印章进行接触式印刷的流程图。先将印章移动到位于施主基底6的元件5上方(图3a)，向下移动使粘附块4和元件接触(图3b)，利用粘附块4的粘性将元件5从施主基底6上剥离(图3c)，实现拾取过程。之后将带有元件5的印章转移到受主基底7上方，与受主基底7接触，持续施加竖直向下的磁场8(图3d)，使因受到磁力而发生变形跳跃的双稳态结构磁性薄膜3对元件5产生一个冲击力和变形挤压力，将元件5从印章上印刷到受主基底7上(图3e)，最后印章撤离，实现接触式印刷过程(图3f)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图4是本发明提出的对基于双稳态结构的磁控转印印章施加瞬态磁场进行印刷的流程图。先将印章移动到位于施主基底6的元件5上方(图4a)，向下移动使粘附块4和元件5接触(图4b)，利用粘附块4的粘性将元件5从施主基底6上剥离(图4c)，实现拾取过程。之后将带有元件5的印章转移到受主基底7上方，与受主基底7接触，在短时间内施加和关闭竖直向下的磁场8(图4d)，使因受到磁力而发生变形跳跃的双稳态结构磁性薄膜3对元件5产生一个冲击力和变形挤压力，将元件5从印章上印刷到受主基底7上(图4e)，最后印章撤离，实现接触式印刷过程(图4f)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图5是本发明提出的对基于双稳态结构的磁控转印印章施加全局磁场实现大规模非接触式转印的流程图。其拾取过程(图5中a-b)和印刷过程(图5中c-d)与图2相同，只是整个转印过程使用大范围的全局磁场，来大规模的拾取和印刷器件，提高转印的效率。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图6是本发明提出的对基于双稳态结构的磁控转印印章施加局部磁场实现可编程选择性拾取的流程图。首先对印章指定区域的未跳跃变形的双稳态结构磁性薄膜2施加竖直向下的磁场8(图6a)，使该未跳跃变形的双稳态结构磁性薄膜2变形跳跃，保持该区域的无粘附状态(图6b)，然后将印章按压到放置在施主基底6的元件5上，已跳跃变形的双稳态结构磁性薄膜3因与元件5挤压而变形(图6c)；接着向上移动印章，除了无粘附区域，其余位置的元件5被成功选择性拾取(图6d)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图7是本发明提出的对基于双稳态结构的磁控转印印章施加局部磁场实现可编程图案化非接触式印刷的流程图。先将印章按压到位于施主基底6的元件5上(图7a)，利用粘附块4的粘性将元件5从施主基底6上剥离(图7b)，实现拾取过程。将带有元件5的印章转移到受主基底上方7，与受主基底7保持一间距，然后对印刷区域持续施加局部竖直向下的磁场8(图7c)。印刷区域的双稳态结构磁性薄膜变形跳跃，对该区域的元件5产生一个冲击力和变形挤压力，将元件5从印章上顶出，实现非接触式选择性印刷过程(图7d)。
1.一种基于双稳态结构的磁控转印印章，其特征在于，自上而下依次由印章主体、双稳态结构磁性薄膜和设于双稳态结构磁性薄膜底部的粘附块组装而成；所述的印章主体上设置有贯穿其底部的空腔阵列；所述双稳态结构磁性薄膜的固定端由印章主体和粘附块贴合固定。
2.根据权利要求1所述的基于双稳态结构的磁控转印印章，其特征在于，所述的印章主体材料为无磁性的聚合物，无磁性的金属或亚克力材料。
3.根据权利要求1所述的基于双稳态结构的磁控转印印章，其特征在于，所述粘附块为具有粘性的单层或双层结构。
4.根据权利要求1所述的基于双稳态结构的磁控转印印章，其特征在于，所述的双稳态结构磁性薄膜的材料为磁性金属材料、或高聚物和磁性颗粒形成的混合材料，所述的双稳态结构磁性薄膜的模量至少为gpa级别。
5.根据权利要求1所述的基于双稳态结构的磁控转印印章，其特征在于，印章主体材料与粘附块材料都为聚二甲基硅氧烷，印章主体材料的固化剂含量等于或高于粘附块材料。
6.根据权利要求4所述的基于双稳态结构的磁控转印印章，其特征在于，双稳态结构磁性薄膜采用铁箔材料材料。
7.一种大规模可编程转印方法，其特征在于，基于如权利要求1-6任一项所述的印章实现，步骤如下：
拾取时，将印章按压在元件/基底上，利用粘附块的粘性将元件从施主基底上拾取；
印刷时，在磁场持续作用下，印章上的双稳态结构磁性薄膜变形向下跳跃，对元件产生冲击力和变形挤压力，使元件脱离印章，印刷到受主基底上。
8.根据权利要求7所述的大规模可编程转印方法，其特征在于，外加驱动为全局磁场，则驱动印章实现大规模转印；外加驱动为局部磁场，则驱动印章实现可编程图案化转印。
9.根据权利要求7所述的大规模可编程转印方法，其特征在于，所述的拾取方式为：先对印章指定位置施加磁场，对应的双稳态结构磁性薄膜变形跳跃，保持释放构型，使得对应位置保持无粘附状态，当印章与在施主基底上的元件接触时，无粘附状态位置以外的元件能够被拾取，实现可编程选择性拾取。
10.根据权利要求7所述的大规模可编程转印方法，其特征在于，所述的印刷方式为：对印章指定位置施加瞬态磁场，驱动双稳态结构磁性薄膜变形跳跃，对元件产生冲击力和变形挤压力，使元件脱离印章，印刷到受主基底上。
技术总结