電子器件是現(xiàn)代社會(huì)的基石。傳統(tǒng)的電子加工從基底材料制備，到形成互連所需要的薄膜沉積、刻蝕、封裝等，涉及工藝及步驟繁多，需要消耗大量原料、水、氣及電力能源。實(shí)現(xiàn)不受空間和成本限制的電子電路直接制造是全球科學(xué)界與工業(yè)界的夢(mèng)想，但存在巨大挑戰(zhàn)，其中既有設(shè)備硬件的限制，也有來(lái)自高性能電子墨水的限制，更受到固有理論框架的制約。近年來(lái)興起的印刷電子技術(shù)，旨在通過印刷方式在各種基材上制造出功能各異的電子電路，由此打開了一個(gè)全新的先進(jìn)制造領(lǐng)域，有望重塑電子工程產(chǎn)業(yè)。此類方法本質(zhì)上是一種增材工藝，超越了傳統(tǒng)的集成電路制造思想，既可避免使用腐蝕工藝，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，又可節(jié)約大量原料。然而，在經(jīng)過多年發(fā)展的印刷電子學(xué)體系中，仍存在電子墨水配制工藝復(fù)雜、電阻率高、導(dǎo)線形成需要借助繁復(fù)的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)、器件成型固化溫度高、可靠性偏低、使用壽命短等缺憾。

為解決長(zhǎng)期制約印刷電子學(xué)面臨的理論與技術(shù)瓶頸，筆者實(shí)驗(yàn)室基于多年來(lái)在室溫液態(tài)金屬領(lǐng)域的研究積淀和深入探索，于國(guó)內(nèi)外首次原則性地提出了不同于傳統(tǒng)的液態(tài)金屬印刷電子學(xué)思想，其通過組分各異的液態(tài)金屬或其合金墨水，可在各種基底上直接打印出所需要的導(dǎo)體、導(dǎo)線乃至各種功能電子器件、傳感器及集成電路等。這種在學(xué)術(shù)上被命名為DREAMInk（direct printing of electronics based on alloy and metal ink，也取夢(mèng)之墨之意）的電子器件制造理念，促成了從墨水材料到打印基底、印刷技術(shù)與裝備等全新理論與技術(shù)體系的綜合突破，被認(rèn)為有望改變傳統(tǒng)電子及集成電路制造規(guī)則，促成了新興電子工程學(xué)的出現(xiàn)，其所見即所得的電子直寫模式為發(fā)展普惠型電子制造技術(shù)、重塑個(gè)性化電子提供了變革性途徑，且具有快速、綠色、低成本的優(yōu)勢(shì)，已展示出廣泛的應(yīng)用潛力。

經(jīng)過近10年時(shí)間持續(xù)不斷的努力，筆者實(shí)驗(yàn)室建立了液態(tài)金屬功能電子墨水的制備方法，系統(tǒng)發(fā)展出一系列可適應(yīng)從一維、二維到任意固體表面的液態(tài)金屬打印方法和原理。相應(yīng)技術(shù)除了可顯著降低傳統(tǒng)電子制造模式中的材料成本、制造成本和時(shí)間成本外，還擴(kuò)展了以往技術(shù)不易甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)的電子制造范疇。比如，筆者實(shí)驗(yàn)室基于所發(fā)現(xiàn)的金屬流體與不同基底間的潤(rùn)濕機(jī)制，提出并證實(shí)了可在任意固體材質(zhì)和表面上直接制造電子電路的液態(tài)金屬噴墨打印方法，從而使得樹葉也可變身電路板，該技術(shù)一度入選Top IT Story，業(yè)界對(duì)此配發(fā)的評(píng)論是，圍繞在不同表面打印電路的競(jìng)賽可以終結(jié)了。多年來(lái)，筆者實(shí)驗(yàn)室開展的系列研究的原創(chuàng)性和領(lǐng)先性有幸得到了國(guó)內(nèi)外持續(xù)廣泛的重視和認(rèn)可，諸多成果先后被數(shù)百家國(guó)際科學(xué)雜志、新聞媒體和專業(yè)網(wǎng)站諸如MIT Technology Review、IEEE Spectrum、ASME Today、Phys.org、Chemistry World、National Geographic、Geek、Fox News、CCTV等專題評(píng)介。業(yè)界普遍認(rèn)為：找到室溫下直接制造電子的方法，就意味著打開了極為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域乃至通過家用打印機(jī)制造電子器件的大門。這些工作打破了個(gè)人電子制造技術(shù)瓶頸和壁壘，使得在低成本下快速、隨意地制作電子電路特別是柔性電子器件成為現(xiàn)實(shí)，預(yù)示著電子制造正逐步走向平民化。

在研究液態(tài)金屬印刷電子學(xué)基本問題的同時(shí)，筆者實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)還始終不斷努力將有關(guān)理論推向?qū)嶋H應(yīng)用，先后發(fā)明并研制出一系列液態(tài)金屬電子直寫與打印裝備，特別是于2013年推出世界首臺(tái)全自動(dòng)液態(tài)金屬桌面電子電路打印機(jī)，以及首臺(tái)具有普適意義的液態(tài)金屬噴墨打印機(jī)，攻克了相應(yīng)設(shè)備在通向?qū)嵱没�道路中的一系列關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題。部分產(chǎn)品還應(yīng)邀參展2014年、2015年上海國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)，2015年中國(guó)南亞博覽會(huì)，2015年國(guó)家科技戰(zhàn)略座談會(huì)，引發(fā)了重大反響和關(guān)注。2014年，液態(tài)金屬桌面電子電路打印機(jī)獲提名兩院院士評(píng)選2014年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞，中國(guó)工程院為此專門來(lái)函，認(rèn)為：成果對(duì)該領(lǐng)域工程科技發(fā)展將起到巨大的推動(dòng)作用；2015年7月，這一原創(chuàng)性發(fā)明入圍素有國(guó)際科技界創(chuàng)新奧斯卡獎(jiǎng)之稱的R&D 100 Award最終名單，后又于2016年入選美國(guó)《大眾科學(xué)》（中文版） T100創(chuàng)新獎(jiǎng)。綜合各種打印技術(shù)成果在內(nèi)的液態(tài)金屬電子增材制造技術(shù)入選2015年中關(guān)村十大科技創(chuàng)新成果。這一系列來(lái)自工業(yè)界、學(xué)術(shù)界及社會(huì)的認(rèn)可，反映出液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的價(jià)值正日益顯現(xiàn)。而當(dāng)前國(guó)際上該領(lǐng)域的進(jìn)展，尚主要處于原理性探索和論文發(fā)表階段。

眾所周知，增材制造技術(shù)被普遍認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的重要引擎和核心推動(dòng)力，相應(yīng)研發(fā)近年來(lái)引起世界各國(guó)工業(yè)界和政府高度重視，如美國(guó)啟動(dòng)了旨在打造全球競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)的增材制造國(guó)家計(jì)劃，并于2016年斥資1.71億美元實(shí)施了一項(xiàng)混合柔性電子項(xiàng)目，歐洲則力求通過實(shí)施工業(yè)4.0確保對(duì)新一輪工業(yè)革命的掌控，中國(guó)也已提出制造2025的宏偉藍(lán)圖，這些均為波及全球的國(guó)家戰(zhàn)略。作為最終有望普及到個(gè)人應(yīng)用層面的電子增材制造工具，液態(tài)金屬印刷電子學(xué)屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域的變革性技術(shù)，高度貼合了當(dāng)前及今后個(gè)性化電子快速制造與功能器件直接打印的需求，可望催生出一系列超越傳統(tǒng)理念的電子工程學(xué)技術(shù)，顯著提速電子工業(yè)與制造業(yè)革新的步伐，成為未來(lái)制造產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)。

鑒于液態(tài)金屬印刷電子學(xué)顯而易見的意義，同時(shí)考慮到國(guó)內(nèi)外較缺乏相關(guān)著作，我們深感有必要將這一領(lǐng)域的基本原理、方法和應(yīng)用情況及時(shí)傳達(dá)給業(yè)界，以期有效引導(dǎo)和集合各方力量，共同促成新興電子制造科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，從而更好地推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。限于精力，本書不求窮盡液態(tài)金屬印刷電子學(xué)領(lǐng)域全貌，主要介紹筆者實(shí)驗(yàn)室在結(jié)合全球印刷電子領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)需求為導(dǎo)向開展的工作，系統(tǒng)闡述液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的基本理論與技術(shù)體系，以及典型的應(yīng)用問題。本書寫作啟動(dòng)于2016年，但由于中間大量研究和各種事務(wù)，導(dǎo)致成稿過程斷斷續(xù)續(xù)，在本書即將付印之際，我們也欣喜地注意到近期特別是自2018年初以來(lái)，國(guó)際上圍繞液態(tài)金屬電子學(xué)發(fā)表的文章猶如井噴一般，彰顯這一新興領(lǐng)域的活力。筆者也期待今后有機(jī)會(huì)再版本書時(shí)能將有關(guān)新成果予以補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。

總的說(shuō)來(lái)，本書內(nèi)容反映的主要是筆者實(shí)驗(yàn)室近十年來(lái)的工作，同時(shí)對(duì)國(guó)際上涌現(xiàn)出的一些相關(guān)典型成果也作了必要介紹。其間，實(shí)驗(yàn)室許多同志為此做出了大量貢獻(xiàn)，如不完全列出的包括： 高云霞、李海燕、鄭義、張琴、王磊、桂晗、郭藏燃、國(guó)瑞、于洋、何志祝、楊俊、陳柏?zé)槨�楊�?yáng)、鄧中山、饒偉等。實(shí)驗(yàn)室有關(guān)研究先后得到中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)基金、中國(guó)科學(xué)院前沿計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金（No.91748206）以及北京市科委資助。在此謹(jǐn)一并致謝！

限于時(shí)間，加之作者水平有限，本書不足和掛一漏萬(wàn)之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

劉靜王倩2018年6月