以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
英文原题：Highly Robust and Strain-Resilient Thin Film Conductors Featuring Brittle Materials
通讯作者：吴凯，西安交通大学；孙军，西安交通大学
作者：Kai Chen (陈凯), Linyuan Zhang (张林媛), Kai Wu (吴凯)*, Chao Yang (杨超), Ruihong Wang (王瑞红), Canhua Xu (徐灿华), Jinyu Zhang (张金钰), Gang Liu (刘刚), and Jun Sun (孙军)*
背景介绍
可拉伸导体是柔性电子设备（如：软体机器人、可穿戴设备、可植入生物医学设备等）中重要的材料组成单元，需兼具高的导电性和大的可拉伸性。金属薄膜由于其高导电性（>105 S cm-1）、低成本、成熟的制备加工技术已被广泛应用于柔性导体或电极材料。然而，由于金属薄膜和柔性基体之间存在显著的变形失配，在小应变下金属薄膜即发生断裂，裂纹一旦萌生便快速扩展，最终导致器件电气故障；此外，传统通过调控薄膜内在微观结构以及应变分布状态的方法往往难以适用于脆性薄膜导体材料（如纳米晶金属薄膜、氧化物等），这些都严重阻碍了柔性电子设备的发展与应用。
文章亮点
近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室吴凯副教授和孙军院士等在Nano Letters上发表了一种新的面外裂纹控制策略，在聚二甲基硅氧烷-液态金属（LM-PDMS）复合基体表面制备了纳米晶金属薄膜（图1），通过合理控制“脆性薄膜致使基体开裂”以及柔性基体内部液态金属颗粒电自修复行为，在金属薄膜导体材料中实现了高的导电性（> 1.3×105 S cm-1）、大的可拉伸性（> 130%）以及高的机械鲁棒性。
图1. LM-PDMS基体与Cu薄膜的制备表征与性能测试。(a) LM-PDMS基体的光学显微照片。(b) 纳米晶Cu薄膜的TKD取向图和反极图。(c) PDMS基体和LM-PDMS基体上Cu薄膜相对电阻变化随拉伸应变的变化曲线。
图2. LM-PDMS基体上Cu薄膜的断裂及电自修复行为。(a) 连续拉伸应变下Cu薄膜表面形貌CLSM图。(b) 2% 应变和 (c) 50% 应变下Cu薄膜SEM图及相应的EDS分析。(d) 50%应变下Cu薄膜截面SEM图。
在小拉伸应变（< 2%）下，纳米晶金属薄膜发生断裂，裂纹沿面内和面外方向快速扩展，裂纹面外扩展诱发柔性基体开裂，激活液态金属颗粒填充薄膜裂纹间隙，形成连续的导电通路（图2），实现了在宽应变范围内应变不敏感的电学性能。同时本文还定量评价了金属薄膜致使柔性基体的开裂行为，证实了该裂纹控制策略在纳米晶金属（铜、银、钼）和透明氧化物（氧化铟锡）等脆性薄膜导体材料中的普适性。金属薄膜导体不但可承受拉伸、弯曲、扭转等多模态变形，而且可抵御划伤、穿孔等严重力学损伤（图3），有效保证了器件的稳定工作。
图3. 高导电性、高机械鲁棒性及应变不敏感性可拉伸导体的实用性。(a) LED灯连接至Cu薄膜基可拉伸导体；(b) 对导体进行切割；(c-d) 对切割后的导体进行冲孔；(e-f) 对切割及冲孔后的导体进行拉伸；(c-f)中的红色阴影表示在LM-PDMS中通过自主电重构形成的半圆柱形导电通路。（上：实物图，下：示意图）
总结/展望
研究人员提出了一种新的面外裂纹控制策略，通过合理控制膜致基体开裂以及液态金属电自修复，获得了具有高导电性、高鲁棒性、应变不敏感性的金属薄膜导体。本文的设计策略可普遍适用于多种脆性薄膜和柔性基体材料，为可拉伸薄膜导体材料的设计提供了新思路。
相关论文发表在Nano Letters上，西安交通大学博士研究生陈凯为文章的第一作者，西安交通大学孙军院士、吴凯副教授为文章通讯作者。
通讯作者信息：
孙军 西安交通大学
孙军，教授，中国科学院院士，现任金属材料强度国家重点实验室主任。长期从事金属材料形变相变与强韧化的研究。连续两届国家973计划项目首席科学家和国家“863”计划新材料领域重点项目负责人，国家自然科学基金委创新群体项目学术带头人，国家首批高校创新引智基地(111)计划项目负责人。在Nature、Nature Materials、Nano Letters等学术期刊上发表论文300余篇，被SCI他引9000余次。曾获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家级教学成果二等奖及中国高校十大科技进展等。
主页：
http://gr.xjtu.edu.cn/web/junsun
吴凯 西安交通大学
吴凯，副教授，博士生导师，陕西省青年科技新星。主要从事金属薄膜变形断裂的研究。主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划子课题等多项课题。在Nano Letters、Advanced Materials、Acta Materialia等学术期刊上发表论文60余篇，被SCI他引1000余次。担任中国材料研究学会疲劳分会理事。
主页：
https://gr.xjtu.edu.cn/web/msewukai
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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