AFM：全印刷/可拉伸/电化学器件的液态金属岛桥结构- 大数跨境

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AFM：全印刷/可拉伸/电化学器件的液态金属岛桥结构

科学材料站

2020-06-06

导读：本文中，我们介绍了一种新颖的材料制造策略，该技术适用于高性能全印制“岛桥”电化学装置，该装置使用了由可承受应力的共晶铟镓颗粒（EGaInPs）含银油墨制备的高度可拉伸的蛇形桥。

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导读

将表皮电子技术应用到日常生活中需要新的设计和制造模式，从传统的刚性、笨重的电子设备过渡到与人体高度亲密的软性设备具有重要意义。

针对上述现象，加州大学圣地亚哥分校的Joseph Wang教授等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Liquid Metal Based Island-Bridge Architectures for All Printed Stretchable Electrochemical Devices”的文章。本文第一作者是Cristian A. Silva。

在本文，报道了一种基于厚膜印刷工艺的高拉伸“岛桥”（IB）电化学器件的新制备方法，该方法将确定性IB结构与基于共晶镓铟颗粒（EGaInPs）的耐应力复合银（Ag）墨水作为动态电锚相结合在渗透网络内部。

制作自立软Ag-EGaInPs基蛇纹石“桥”使印刷微结构能够在极端（≈800%）应变下保持机械和电气性能。将这些高度可伸展的“桥”与刚性多功能“岛”电极耦合，可以实现能够承受高机械变形的电化学装置，同时显示出极有吸引力和稳定的电化学性能。讨论了新型印刷银-液态金属岛桥设计的优点和实用性，并用可穿戴生物燃料电池进行了说明。这种新的可伸缩和可调的制造策略将允许在单个设备中集成多种材料，从而在可穿戴电子产品中实现广泛的应用。

背景简介

1. 可穿戴电子设备研究方向

可伸缩、高伸缩和稳定的柔性设备的发展有望显著改变消费电子产品，并在健康监测中，能源，软机器人和人机界面发挥关键作用。建立高吞吐量、高成本效益和高可调制备方法代表向大规模生产具有定制特性的软设备迈出了关键的一步，解决了人体和传统电子设备之间的典型不匹配问题。结构创新使不可拉伸材料成为特定结构，以实现设备级的可拉伸性。这些薄而灵活的图案会因应力而变形，这些应力具有锯齿形或蛇形互连，微/纳米裂纹，或折纸结构。虽然稳定的电气性能得到了可靠的保持，但基于非弹性材料的结构可拉伸器件在严重的情况下可能会不可逆转地损坏，并由低断裂应变引起的机械变形。下一代可穿戴电子设备应利用确定性几何结构和新颖的内在可拉伸材料来扩展其用途。

为了应对这一重大挑战，材料科学的最新进展带来了新的战略，平衡了可拉伸性、导电性、可加工性和成本的要求。在这个方向上，可拉伸设备，用弹性复合材料制成的材料在保持渗流网络中稳定和坚固的电互连方面达到了极限。可拉伸器件制造的新策略已经转变为基于聚合物-颗粒复合材料的本质可拉伸材料，导电聚合物，离子液体，以及最近的液态金属。

2.液态金属合金在可穿戴电子设备的研究现状

液态金属合金，如共晶镓铟（EGaIn），由于其具有高液态流动性、高导电性和低毒性等优良性能，为柔性和耐磨电子系统提供了广阔的应用前景，这些镓基液态金属合金在保持金属导电性的同时，已证明其符合变形形状。制造聚合物液态镓合金基复合材料的最新方法在电流可拉伸导体中显示出一些吸引人的特性，例如超高延伸率，同时保持金属导电性。尽管它们的性能令人印象深刻，但它们的液相和快速氧化限制了它们形成稳定结构的加工能力。此外，处理液态金属的几种策略主要集中在液态金属微粒的生产，交联聚合，和独立的液态金属结构。然而，不必要的薄氧化物绝缘层的形成、反应性润湿和Ga-In合金快速渗透到大多数金属中导致测量结果不稳定，从而阻止了其功能性与其他活性材料的可靠结合。此外，一些研究和策略集中于了解氧化在LM-颗粒填料混合物中的作用，这种混合物有助于材料性能的变化，如熔点的变化，导电性的变化和不期望的表面粗糙度。然而，大规模生产基于LM的可穿戴设备仍然面临着重大挑战。在这个方向上，对于可穿戴电化学装置的开发和制造而言，整合和收获液态金属的独特特性和优点的新策略引起了研究人员的极大的兴趣。

核心内容

本文中，我们介绍了一种新颖的材料制造策略，该技术适用于高性能全印制“岛桥”电化学装置，该装置使用了由可承受应力的共晶铟镓颗粒（EGaInPs）含银油墨制备的高度可拉伸的蛇形桥。

基于早期对电化学“岛桥”器件的研究，这里描述的策略依赖于使用厚膜沉积工艺制造多尺度软-硬设计。结构延展性的宏观水平岛桥设计用于制造蛇形互连的银EGaInPs油墨（Ag-LM油墨）的内在微观材料延展性协同作用。因此，新的策略为在弹性复合材料桥内创造了一个由变形液态金属连接的高导电超弹性结构。这使得这些“岛-桥”装置中的大部分应变可由基于LM的蛇形“桥”结构容纳，同时使功能性刚性岛不受损伤。因此，在合理选择岛状材料的基础上，可以实现具有广泛活性材料的新型可拉伸结构。

最后，作者通过制造一种表皮生物燃料电池，从人体汗液中清除电能描述了这些新的基于LM的印刷“岛桥”结构的能力。作为可穿戴设备的一个吸引人的平台，在实际的运动活动和相应的机械变形中都显示出稳定的功率输出。与其他报道的Ag和LM基复合材料相比，本研究的重点是通过利用IB互连结构在材料可拉伸性的基础上明显的机械可拉伸性，解决耐磨电化学器件在大变形下的电稳定性和电化学稳定性方面的挑战Ag-LM复合材料。这种可伸缩和可调的制造策略，基于新的基于EGaIn的蛇纹石导电桥路，以及不同的活性“岛”材料选择，应该为不同的可伸缩电化学器件铺平道路。这些新功能代表了基于功能性表皮器件的可穿戴电子产品开发的重要一步。

图1. 油墨制备与表征。

文章链接:

Liquid Metal Based Island-Bridge Architectures for All Printed Stretchable Electrochemical Devices

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002041

老师简介:

Joseph Wang 教授

Joseph Wang教授的研究集中在纳米生物电子领域，现任“Electroanalysis”杂志主编。迄今，他共发表845篇研究论文，拥有12项专利，撰写11本专著。Joseph Wang教授于1981年获匹兹堡分析化学学会青年科学家奖；1994年获捷克共和国科学院海罗夫斯基纪念奖章；1999年获美国化学会分析仪器奖；并分别在1991年-2001年和 1995年-2005年成为世界工程界论文被引用次数最多的科学家，获得ISI最高引用荣誉；2006年获美国化学会电化学奖；2008年获美国国家科学基金特别创新奖等。

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