提高柔性电子应变能力新策略——超薄夹层的弹塑性设计

研究背景

在过去的十年里，柔性电子的快速发展使各种新兴的应用成为可能，从软性人机界面、电子皮肤、能源、和植入式生物电子到柔性和可拉伸显示器和智能可穿戴设备。虽然用于制造设备的聚合物基材通常有足够的顺应性，但其他材料，如金属无机半导体和陶瓷则太脆，无法承受拉伸应变。不幸的是，尽管在过去的几十年里，人们努力开发各种类型的软材料，但这些脆性材料在大多数设备应用中仍然是不可缺少的。例如，由于金属本身的高导电性和与传统制造工艺的良好兼容性，它被广泛用作柔性电子的电极、互连、引线和触点。然而，受塑料性质的制约，金属薄膜通常在很小的拉伸应变(1%~)时就会断裂，这比设备弯曲时经历的大多数应变 (>3%)要小得多，因此会造成重大的性能损失和设备故障。

到目前为止，有两个主要原则指导材料设计和器件制造，以尽量减少施加在这些刚性材料上的实际拉伸应变，从而提高薄膜器件的灵活性。第一个原则是在超薄基材上制造器件，第二个原则是增加刚性材料和柔性基材之间的界面附着力。这两个主要原则是相互独立的。因此，人们可以同时应用这两种策略来显著提高薄膜设备的灵活性。

研究成果

在不同程度的变形过程中容忍大应变的能力是发展柔性电子的核心问题。目前常用的提高薄膜器件应变能力的策略主要是优化器件结构和增加材料界面上的粘合。在本文中，香港理工大学郑子剑教授团队提出了一种策略，即超薄夹层的弹塑性设计，以提高柔性电子产品的应变能力。研究证明，在上层刚性薄膜/器件和软性基材之间插入一个超薄、坚硬(高杨氏模量)和弹性(高屈服应变)的夹层，无论基材厚度或界面粘结如何，都能显著减少基材弯曲时施加在薄膜/器件上的实际应变。由于独立于现有的策略，弹塑性设计策略提供了一种有效的方法来提高器件的灵活性，而无需重新设计器件结构或改变材料界面。相关研究以“Elasto-Plastic Design of Ultrathin Interlayer for Enhancing Strain Tolerance of Flexible Electronics”为题发表在ACS Nano期刊上。

研究亮点

1. 报告了第三个独立的原则，命名为层间材料的弹塑性设计，以提高应变能力，从而提高设备的灵活性。

2. 揭示了夹层的弹塑性如何影响柔性电极的裂纹和电气行为，并展示了如何利用这一设计原理来提高电子设备的灵活性

总结与展望

综上所述，作者提出了一个名为“超薄夹层的弹塑性设计”的通用原则，用于提高柔性电子器件的应变能力。理论和实验分析表明，超薄的、有弹性的、坚硬的中间层可以有效地减少薄膜/基片系统中上层薄膜在弯曲时的实际应变。揭示了夹层的弹塑性如何影响柔性电极的裂纹和电气行为，并展示了如何利用这一设计原理来提高电子设备的灵活性。使用弹塑性设计原理的一个主要优点是，人们不需要重新设计设备的结构或改变材料的使用。重要的是，弹塑性设计原则独立于现有的考虑结构厚度和界面结合的原则并与之兼容，即人们可以在现有原则的基础上应用弹塑性设计，以进一步提高柔性材料和设备的应变能力。

文献链接

Elasto-Plastic Design of Ultrathin Interlayer for Enhancing Strain Tolerance of Flexible Electronics, https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12269

转自：“i学术i科研”微信公众号

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