Adv. Mater. | 基于双层液态金属复合材料的应变不敏感集成电子器件

以下文章来源于液态金属FM ，作者Jin Zhang

在可穿戴电子器件中，硬质电子元件与柔性基底的可靠集成至关重要。近日，新加坡国立大学Chwee Teck Lim团队通过将液态金属颗粒与聚氨酯溶液混合制成墨水，并在弹性基底上丝网印刷后剥离，构建了液-固双层结构的液态金属导电复合材料（b-LSC）。剥离导致b-LSC上层液态金属颗粒烧结形成导电通路，可与硬质器件以较低的接触电阻焊接。同时，富含极性基团的下层材料可与弹性基底实现稳定粘合。研究人员进一步表征了b-LSC的超高导电性（22532S cm−1）及对大应变的不敏感性，并对相关机理进行了探究。最后，作者展示了b-LSC在可拉伸传感器阵列、可视化加热器和触觉传感等领域的应用。相关工作以“Ultrahigh Strain-Insensitive Integrated Hybrid Electronics Using Highly Stretchable Bilayer Liquid Metal Based Conductor”为题发表在《Advanced Materials》上。

图1. 基于b-LSC的相关应用及表征。(a-e) b-LSC在光电阵列的互连、电容式触摸传感器阵列构建、用户交互式加热器和软硬电子元器件接口的焊接等方面的应用。印刷线路宽度分辨率可以达到200 μm。(f-m) 剥离烧结前(f)后(g)b-LSC的结构示意图以及相关的光学、SEM表征。经过剥离烧结，b-LSC出现了明显的液态金属-固态复合材料双层结构。

图2. b-LSC导电性、应变不敏感性和机电性能表征。相比于传统的拉伸、加热和激光烧蚀等液态金属颗粒导电烧结的方法，本文仅通过简单的剥离操作，不仅赋予b-LSC超高的导电性和多次循环拉伸下的机电稳定性，还使其在高达2266%应变下电阻仅有较小变化。

图3. b-LSC在软硬接口焊接，导电垂直互联通道和基于VHB基底/封装的自愈合方面的应用。相比于传统的硬质锡焊，b-LSC的使用有效减少了器件的接触电阻（30%）。同时，VHB丰富的羧基和羟基极易形成氢键，赋予了VHB良好的自愈合能力，使得用VHB作为基底或封装的b-LSC可以抵御外界的机械损伤。

图4. 剥离诱导的b-LSC形成机制示意图及相关表征。由于弯曲应力随厚度的增加而减小，因此远离基底或者尺寸较大的液态金属颗粒极易破裂烧结，并在上层形成高导电的液态金属薄膜。与之相反，靠近基底或者较小的液态金属则很难破裂烧结。

图5. b-LSC在多层可拉伸触觉交互电子皮肤和热致变色加热器方面的应用。通过对触觉传感器阵列不同点位的触碰，可以实现对相应LED灯泡的控制。

图6. b-LSC在机器人触摸传感和无线供电线圈方面的应用。利用b-LSC的应变不敏感特性，可以实现检测信号从传感目标到信号管理单元的高质量传输。与之相比，传统的应变敏感连接在应变过程中容易产生电阻变化，干扰信号的传输，导致检测失败。

文章信息：

Chen, S., Fan, S., Qi, J., Xiong, Z., Qiao, Z., Wu, Z., Yeo, J. C., Lim, C. T., Ultrahigh Strain-Insensitive Integrated Hybrid Electronics Using Highly Stretchable Bilayer Liquid Metal Based Conductor. Adv. Mater. 2022, 2208569.

https://doi.org/10.1002/adma.202208569

转自：“i学术i科研”微信公众号

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