由于材料本征物化、力學特性的差異，功能部件間的界面問題是柔性電子器件所無法回避的。界面上滑移、脫層、破裂等情況的出現都會引起器件性能的劣化，甚至導致失效。因而，構建具有高強度和低阻抗的魯棒連接界面是所有柔性電子器件，尤其是可延展柔性電子器件所迫切需求的。這一目標的實現能夠有力推動可延展柔性電子器件的發展，并催生出更為廣泛的應用。

最近，浙江清華柔性電子技術研究院的研究團隊提出了一種解決可延展柔性電子器件界面問題的新策略，能夠在不引入第三介質層的基礎上，利用材料本征物化特性的一致性，有效增強不同功能部件之間的界面強度并大幅降低拉伸變形下的界面阻抗。同時，通過快速直寫具有魯棒界面的表皮電子器件，進而實現多運動和多狀態下生理應變信號的精準監測，成功證明了此策略的實用價值，為未來可延展柔性電子器件的先進制造提供了重要支撐。該成果以“Homogeneity Permitted Robust Connection for Additive Manufacturing Stretchable Electronics”為題，于8月31日發表在ACS Applied Materials & Interfaces。

為證明均質界面增強策略的有效性和通用性，研究人員選用了商業化碳納米管（CNT）和聚氨酯彈性體（TPU）作為原材料，通過調控CNT功能填料的分散形態，制備了兩種組分相同但是功能特性差異巨大的碳納米管-聚氨酯彈性復合體（CTC），即均勻復合體（Uniform CTC）和非均勻復合體（Nonuniform CTC），并且研究了摻雜比例與兩種復合體功能特性之間的關系。

具有不同分散形態的兩種碳納米管-聚氨酯彈性體復合體 通過橫向對比發現，均勻復合體導電性更好，零點漂移更小；而非均勻復合體的應變敏感度更高，模量更小。當同樣摻雜15 wt%碳納米管功能填料時，兩種復合體導電性，應變敏感度和模量之間的差異能分別達到281倍，15.7倍和7.1倍。這種巨大的功能特性差異是由碳納米管顯著的分散形態差異所導致的。值得一提的是，高靈敏度的非均勻復合體不僅能夠實現脈搏等微弱應變信號的精準監測，還可以識別出脈搏信號中的特征生理信息，具備良好的醫用價值。基于上述功能特性差異，均勻復合體和非均勻復合體可以分別用作應變監測器件中的導線部件和傳感部件。

均勻復合體和非均勻復合體的功能特性對比 通過溶脹再干燥工藝，研究人員在均勻復合體和非均勻復合體之間構建了連接界面，用于模擬真實器件內部不同功能部件之間的連接狀態。連接界面的理論建模分析和力學-電學特性測試結果證明，所構建的連接界面具有高界面強度和低界面阻抗，以及拉伸變形下的魯棒性，驗證了均質界面增強策略的有效性。

力學-電學測試、理論模型分析和界面增強機理 功能部件的均質性是實現界面增強的根本原因。在溶脹后，兩種復合體連接界面處的聚氨酯高分子被部分溶解，高分子鏈的自由度得到提高。界面對粘后，隨著溶劑的揮發，界面兩側物化特性相同的高分子鏈會逐漸糾纏，引發互鎖效應，從而大幅增強界面強度。同時，高分子鏈的糾纏又會驅使碳納米管對向移動，實現導電滲流網絡的重構，從而在連接界面上形成良好的歐姆接觸，降低界面阻抗。

快速直寫可延展柔性電子器件，多運動和多狀態下生理應變信號的監測 最后，研究人員利用增材制造技術快速直寫了具有魯棒連接界面的表皮柔性電子器件，實現了手指快速屈伸監測、肘部大變形屈伸監測、以及運動前后的脈搏信號監測，成功例證了此均質界面增強策略在未來快速制造可延展柔性電子器件中的價值。 浙江清華柔性電子技術研究院助理研究員傅棋琪博士為文章的第一作者，浙江清華柔性電子技術研究院是清華大學探索多學科交叉與校地合作新模式的試點，是浙江省人民政府與清華大學共同打造的新型高端科研機構。 清華大學馮雪教授是論文通訊作者，馮雪教授團隊長期致力于研究超常規環境下力學和柔性電子技術，發展可延展／超柔性等超常規微器件與大規模集成技術，所發展的柔性電子技術用于健康醫療、智能感知及重大裝備，近年來在《Science Advances》、《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》等期刊發表一系列高水平論文。該項研究得到了國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、國家自然科學基金等的資助。

論文信息：

Qi-Qi Fu, Tao Zhou, Ying Chen, Jianliang Xiao, Jingxian Xu, Zhao Pan, and Xue Feng*, Homogeneity Permitted Robust Connection for Additive Manufacturing Stretchable Electronics,ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(38), 43152-43159.

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c13071

責任編輯：xj

原文標題：用于增材制造可延展電子器件的均質界面增強策略

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