在過去十幾年間，可拉伸無機柔性電子技術的快速發展已經使大量的功能器件（比如，可拉伸電池，心臟活動傳感器，可拉伸發光二極管，光遺傳學平台和應變傳感器）應用到複雜表面，比如人體皮膚和臟器表面以及柔性設備表面。基於力學指導的結構設計常被用於整合傳統硬質無機半導體元件和幾何結構化互聯導線到軟基底上，這保證了電子系統能夠承受很大變形而不失效。到目前為止，基於波浪結構、島橋結構（比如，弧形互聯導線、蛇形互聯導線、二維螺旋互聯導線和三維螺旋互聯導線）、分形結構、剪紙結構等各種各樣的策略已經被採用到最先進的可拉伸無機柔性電子中。
精確性和穩健性對於可拉伸無機柔性電子的大規模商用從而提升人們的醫療條件和生活品質來說至關重要。在這一主題上，存在一個普遍存在的重要問題：這類器件通常在自由界麵條件下進行設計和標定性能，然而在實際應用中器件與人體/物體的界麵條件是相對複雜的，包括自由、可滑移以及固結等界麵條件並且可在它們之間切換（圖1）。實際變形模式和應變分佈可能與自由界麵條件下的初始設計目標和實驗標定結果不同，這可能進一步導致電學性能的改變和非穩健性，甚至在長期疲勞後發生失效。這樣的效應將會大大地限制器件的實際使用和進一步的商業化。在理想情況下，力學與電學性能（比如可拉伸性、耐久性、導電性和傳感性能）應該對界麵條件不敏感，這樣才可以確保器件能夠精確地、穩健地工作，不僅在理論或FEA模型以及實驗室自由界麵條件的標定測試中，而且也在人體皮膚/其他器官表面/柔性工業設備表面等複雜界麵條件下。那麼有沒有任何通用的可拉伸無機柔性電子的設計原理去實現這個目標呢？
近來，中科院力學所蘇業旺研究員團隊研究了不同構形可拉伸無機柔性電子的界麵條件對其力學與電學性能的影響。為了從理論上揭示規律，首先研究了波浪狀結構，展示了其在不同界麵條件下力學性能與封裝厚度之間的關係（圖2）。對於不同構形的可拉伸無機柔性電子，根據疊加原理和聖維南原理進行了一個通用的定性分析，給出了與波浪結構相似的結論（圖3）。在上述研究基礎上，提出了一個通用而簡單的可拉伸無機柔性電子尺寸設計原理來保證力學與電學性能在不同界麵條件下保持一致性，即器件/互聯導線周期長度應該與封裝厚度在同一量級或更小。通過蛇形結構可拉伸電子的FEA和實驗，這個設計原理的適用性得到了驗證（圖4）。為了確保人體皮膚/器官的舒適性，根據上述設計原理，表皮可拉伸電子器件需要微米級的幾何設計。這個發現對於保證可拉伸無機柔性電子在實際應用中的精確性和穩健性具有重要意義。
該研究成果以「A Universal Size Design Principle for Stretchable Inorganic Electronics to Work Consistently under Different Interface Conditions」為題近期發表於學術期刊《Advanced Functional Materials》（doi.org/10.1002/adfm.202210880）。論文第一作者為中科院力學所博士生李爽，通訊作者為中科院力學所蘇業旺研究員。參與該工作的還有力學所博士生藍昱群、華中科技大學黃永安教授和北京航空航天大學陳玉麗教授。此外力學所博士生張懋熠和趙陽也為該工作提供了技術支持。該工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院從0到1原始創新計劃、中國科學院交叉學科創新團隊和中組部WRQB人才計劃等項目的支持。
圖1. 不同界麵條件下的可拉伸無機柔性電子（a）可拉伸電子腕帶作為示例；（b）電子器件在複雜界麵條件（自由的、可滑移的或固結的）下的工作一致性需求
圖2. 波浪結構可拉伸電子在不同界麵條件下的分析（a）自由、可滑移和固結的三種界麵條件；（b）三種界麵條件下波浪狀可拉伸電子的最大主應變隨施加應變的變化曲線；（c）三種界麵條件下薄/厚封裝波浪狀可拉伸電子的應變分佈FEA結果；（d）三種界麵條件下波浪狀可拉伸電子的可拉伸性隨封裝厚度的變化曲線
圖3. 可拉伸無機柔性電子的一般性應力分析（a）無限厚度的可拉伸無機柔性電子；在（b）自由、（c）可滑移和（d）固結界麵條件下的應力分解
圖4. 界面不敏感設計原理應用於蛇形結構的驗證（a）自由、可滑移和固結的三種界麵條件；（b）三種界麵條件下蛇形結構的可拉伸性隨封裝厚度的變化曲線；（c）三種界麵條件下薄/厚封裝蛇形結構的應變分佈FEA結果；（d）三種界麵條件下蛇形結構與封裝材料間的最大界面應力隨封裝厚度的變化曲線；（e）三種界麵條件下蛇形結構與封裝材料間的界面應力分佈FEA結果；（f）帶有偏軸康銅箔的蛇形結構的設計圖；（g）薄/厚封裝蛇形結構的拉伸試樣，用於自由界麵條件和固結界麵條件；（h）薄/厚封裝蛇形結構在自由/固結界麵條件下的相對電阻變化隨施加應變的變化曲線
本文通訊作者蘇業旺研究員於2015年從美國西北大學回到中科院力學所任職至今，一直致力於柔性結構與器件力學研究。入選國家級青年人才計劃和中科院BR計劃；擔任中科院創新交叉團隊負責人；獲得2017年中國力學自然科學二等獎（2/3）；以第一或通訊作者（含共同）身份發表JMPS（3篇）、IJSS（5篇）PNAS、Nature Com.（3篇）、Adv. Mat.、Adv. Func. Mat.（4篇）、ACS Nano（3篇）、Nano Energy（3篇）、Small等SCI論文52篇；撰寫英文書章2章；申請發明專利30項，已授權13項，提交國際專利PCT申請2項，研製的柔性傳感器應用於火星工程；擔任複合材料國際權威期刊Composite Structures編委；主持了基金委面上項目、中科院從0到1原始創新項目、北京市科委重大專項處懷柔科學城成果落地專項、研究成果在航天及醫療企業的應用項目等多項課題。蘇業旺研究員課題組現誠招力學、機械、材料和電子等專業背景的博士後和長期合作崗位(助理/副研究員/研究員)，有意者請將個人簡歷（pdf）發送至蘇業旺研究員郵箱[email protected]，郵件標題請註明「意向崗位+姓名+畢業學校」。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202210880
來源：高分子科學前沿
