进入二十一世纪以来，柔性可拉伸电子器件取得了飞速的发展与突破并广泛应用于各个领域，例如：医疗健康、智能感知、虚拟/增强现实和软机器人等。高性能、多功能的可拉伸电子器件离不开大量的集成电路芯片（IC）。然而这些无机刚性ICs的引入往往伴随着器件延展性牺牲，同时刚性ICs与柔性基底之间的力学失配也会使器件拉伸过程中的可靠性大打折扣。因此，保证拉伸过程中ICs与柔性电路之间的稳定结合尤为重要。另一方面，除了功能特性之外，可拉伸电子器件的安全性与舒适性也正在成为人们关注的热点，无论是材料本身还是其成型后基底的力学性能、透气性等都会对穿戴者的体验造成重要影响。因此，研究人员们一直在努力探索性能卓越、安全舒适、稳定可靠的可拉伸电子器件制造方案。
针对上述挑战，中国科学技术大学赵刚课题组提出了一种力学梯度的策略来制备出包含刚性ICs的高性能可拉伸电子器件。该方案以静电纺丝制备的热塑性聚氨酯（TPU）薄膜作为基底，模板印刷的液态金属（LM）电路作为柔性互联导体，然后使用PVA溶液将刚性的ICs固定在LM电路上。这是一种从刚性（ICs）-高弹性模量（PVA胶）-低弹性模量（TPU纳米纤维膜）-液态（LM电路）的力学梯度策略，其可以有效的引导器件拉伸过程中的变形梯度，从而维持刚柔接口的稳定性。我们通过有限元分析（FEA）和显微观察（SEM）的方法证明了力学梯度理论的科学性。最终，获得了安全、舒适且超级可拉伸（>900%）的高性能柔性电子器件，并且进一步验证了其在智能传感、人机交互和柔性显示等领域中的应用。相关工作以“Mechanical Gradients Enable Highly Stretchable Electronics Based on Nanofiber Substrates”为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces。中国科大信息学院博士生王蒙、硕士生王凯为论文并列第一作者。本研究得到国家重点研发计划等项目支持。
图1 柔性可拉伸电子器件的制作流程及其应用领域。（a）柔性可拉伸电子器件的制作流程（b）柔性可拉伸电子器件的应用领域。
图2 可拉伸电子器件的材料组成与结构。（a）不同材料的薄膜：TPU纳米纤维膜（TPUNM）、聚乙醇膜（PVAM）、LM/TPUNM、填充了PVA的TPUNM（PVA/TPUNM）,（b）由PVAM、LM和TPUNM组成的三层结构，（c）IC与LM电路结合处的结构，（d-f）TPUNM（d）、LM（e）、PVAM（f）的SEM图像，（g）三层结构的SEM图像：TPUNM（上）、LM（中）、PVAM（下），（f）填充了PVA的TPUNM的截面的SEM图像，（i）结合点上表面的SEM图像。
图3 可拉伸电子器件的机电特性。（a）TPUNM、LM/TPUNM、PVAM和PVA/TPUNM的单轴拉伸性能（插图为PVAM和PVA/TPUNM应力应变曲线的放大图）,（b）TPUNM循环拉伸响应（应变：100%），（c）单轴拉伸过程中LM/TPUNM电阻变化率与应变的关系曲线，（d）简化的可拉伸电子器件（插图为器件未封装时的照片），（e）简化器件的电阻与应变关系，（f，g）50%（f）和100%（g）应变下循环拉伸中样品的应力与电阻响应行为，（h）器件的疲劳响应特性。
图4 刚柔结点的稳定性机制分析。（a）FEA中使用的3D模型，（b）器件被拉伸40%时的相对变形分布，（c）ICs与LM连接处的相对变形分布（d）基底相对变形沿着中心线的分布曲线，（e）刚柔连接点的边缘（i）与中心（ii）的SEM图像:未拉伸（e）、拉伸至100%（f）、50个应变为100%的拉伸循环后（g）。
图5 可拉伸温度传感与加速度传感模块应用示例。（a）可拉伸温度传感模块监测人体腋下温度示意图,（b）温度传感模块采集到的两个受试者跑步过程中的体温变化，（c）加速度传感模块用于人机交互设备示意图，（d-e）受试者佩戴加速度传感模块控制计算机中模型飞机的姿态：水平（d）、向上（e）、俯冲（f）、右倾（g）、左倾（h）。
图6 可拉伸LED显示器。（a）可拉伸LED显示器的照片,（b，c）可拉伸LED显示器显示0（b）和1（c），（d）可拉伸LED显示器的电路结构图，（e，f）可拉伸LED显示器被横向拉伸100%，（g，h）可拉伸LED显示器被纵向拉伸100%，（i）可拉伸LED显示器被双向拉伸100%。
作者团队简介
赵刚教授团队主要致力于多尺度生命材料（活细胞、组织和器官等）的低温保存研究、生物医学仪器和微纳系统（如：仿生3D生物微环境、纳米发电机、柔性传感器等）的研发。相关研究成果发表在Science Advances, Advanced Science, Nano Energy, Small, ACS Nano, Nano Letters等期刊。现为美国华盛顿大学附属教授、安徽省生物医学工程学会副理事长、安徽省生命资源保存与人工器官工程技术研究中心副主任。曾任国际低温生物学会常务理事、日本学术振兴会外国人特别研究员。担任国际期刊Biopreservation and Biobanking编委、Frontiers in Physics和CryoLetters等客座编辑。
原文链接
M Wang#, K Wang#, C Ma, PC Uzabakiriho, X Chen, G Zhao*. Mechanical Gradients Enable Highly Stretchable Electronics Based on Nanofiber Substrates. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022, acsami.2c10245.
https://doi.org/10.1021/acsami.2c10245
相关进展
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