進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,柔性可拉伸電子器件取得了飛速的發(fā)展與突破并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,例如:醫(yī)療健康、智能感知、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實和軟機(jī)器人等。高性能、多功能的可拉伸電子器件離不開大量的集成電路芯片(IC)。然而這些無機(jī)剛性ICs的引入往往伴隨著器件延展性犧牲,同時剛性ICs與柔性基底之間的力學(xué)失配也會使器件拉伸過程中的可靠性大打折扣。因此,保證拉伸過程中ICs與柔性電路之間的穩(wěn)定結(jié)合尤為重要。另一方面,除了功能特性之外,可拉伸電子器件的安全性與舒適性也正在成為人們關(guān)注的熱點(diǎn),無論是材料本身還是其成型后基底的力學(xué)性能、透氣性等都會對穿戴者的體驗造成重要影響。因此,研究人員們一直在努力探索性能卓越、安全舒適、穩(wěn)定可靠的可拉伸電子器件制造方案。
針對上述挑戰(zhàn),中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙剛課題組提出了一種力學(xué)梯度的策略來制備出包含剛性ICs的高性能可拉伸電子器件。該方案以靜電紡絲制備的熱塑性聚氨酯(TPU)薄膜作為基底,模板印刷的液態(tài)金屬(LM)電路作為柔性互聯(lián)導(dǎo)體,然后使用PVA溶液將剛性的ICs固定在LM電路上。這是一種從剛性(ICs)-高彈性模量(PVA膠)-低彈性模量(TPU納米纖維膜)-液態(tài)(LM電路)的力學(xué)梯度策略,其可以有效的引導(dǎo)器件拉伸過程中的變形梯度,從而維持剛?cè)峤涌诘姆(wěn)定性。我們通過有限元分析(FEA)和顯微觀察(SEM)的方法證明了力學(xué)梯度理論的科學(xué)性。最終,獲得了安全、舒適且超級可拉伸(>900%)的高性能柔性電子器件,并且進(jìn)一步驗證了其在智能傳感、人機(jī)交互和柔性顯示等領(lǐng)域中的應(yīng)用。相關(guān)工作以“Mechanical Gradients Enable Highly Stretchable Electronics Based on Nanofiber Substrates”為題,發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces。中國科大信息學(xué)院博士生王蒙、碩士生王凱為論文并列第一作者。本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目支持。
作者團(tuán)隊簡介
趙剛教授團(tuán)隊主要致力于多尺度生命材料(活細(xì)胞、組織和器官等)的低溫保存研究、生物醫(yī)學(xué)儀器和微納系統(tǒng)(如:仿生3D生物微環(huán)境、納米發(fā)電機(jī)、柔性傳感器等)的研發(fā)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Science Advances, Advanced Science, Nano Energy, Small, ACS Nano, Nano Letters等期刊。現(xiàn)為美國華盛頓大學(xué)附屬教授、安徽省生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會副理事長、安徽省生命資源保存與人工器官工程技術(shù)研究中心副主任。曾任國際低溫生物學(xué)會常務(wù)理事、日本學(xué)術(shù)振興會外國人特別研究員。擔(dān)任國際期刊Biopreservation and Biobanking編委、Frontiers in Physics和CryoLetters等客座編輯。
原文鏈接: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
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