近年來,柔性電子材料的發(fā)展非常迅速,可用于表皮電子和可植入電子器件、可穿戴設(shè)備、新型能源系統(tǒng)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域。

然而,柔性電子材料的轉(zhuǎn)移制約著柔性電子技術(shù)的發(fā)展。常見的轉(zhuǎn)移方法需要使用一個(gè)印章(stamp)將已制備的柔性電子材料或器件從襯底轉(zhuǎn)移到印章上,然后再轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)襯底上,或直接把軟印章材料作為襯底??衫祀娮悠骷ǔP枰捎密浺r底。使用軟印章(常見的材料為PDMS和Ecoflex等硅橡膠彈性體等)轉(zhuǎn)移時(shí),由于印章材料很軟,因此在它與襯底剝離的界面上會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變,有可能會(huì)超過柔性電子材料的拉伸極限,進(jìn)而導(dǎo)致該柔性電子材料的結(jié)構(gòu)被破壞而失去其功能(圖1)。使用硬印章轉(zhuǎn)移的方法則可有效地避免該問題,但是硬基底并不能用于可拉伸電子技術(shù)。如何解決這一矛盾是柔性電子材料和柔性電子器件轉(zhuǎn)移的一個(gè)關(guān)鍵問題。

南方科技大學(xué)郭傳飛課題組在柔性電子轉(zhuǎn)移技術(shù)上取得進(jìn)展
圖1.?柔性電子材料轉(zhuǎn)移時(shí)其承受的最大應(yīng)變和印章材料剛度之間的關(guān)系

近日,南方科技大學(xué)郭傳飛課題組通過調(diào)控印章材料剛度的方法成功地解決了該問題——轉(zhuǎn)移時(shí),使印章保持很高的剛度,減少轉(zhuǎn)移過程中電子器件中承受的應(yīng)變;轉(zhuǎn)移完之后,再把印章材料軟化,直接作為可拉伸襯底。他們采用了一種剛度可變、鈣離子摻雜的絲素蛋白材料作為印章。絲素蛋白是蠶繭去除絲膠后留下的天然蛋白,它在不同相對(duì)濕度下有著非常大的可變剛度范圍,楊氏模量可從134 KPa變化至1.84 GPa,對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度分別為84%和33%。具體的策略是:在低濕度條件下(RH在33%-49%范圍,印章材料的彈性模量保持在100 MPa至1.84 GPa)進(jìn)行柔性電子材料的轉(zhuǎn)移;剝離后再把絲素蛋白置于高濕度的環(huán)境中,使它發(fā)生軟化,其彈性模量降為0.1 MPa至2 MPa,和皮膚相當(dāng),可直接用作表皮電極(圖2)。得益于絲蛋白表皮電極與皮膚良好的力學(xué)匹配,它可以與皮膚的紋理完美融合,除了具有良好的可拉伸性能之外,它比常用的Ag-AgCl商用凝膠電極有更低的界面阻抗和更高信噪比的肌電信號(hào)(EMG)。此外,該表皮電極在人體皮膚上貼附10天后沒有產(chǎn)生明顯的不良反應(yīng)。通常,將柔性電子材料和器件轉(zhuǎn)移到人體皮膚或其它非平面粗糙表面是非常困難的,而本工作卻提供了一種簡(jiǎn)單易行的新思路和新方法。

南方科技大學(xué)郭傳飛課題組在柔性電子轉(zhuǎn)移技術(shù)上取得進(jìn)展
圖2.?絲蛋白表皮電極與皮膚粘附效果展示

該工作近日在線發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上(Adv. Funct. Mater. 2020, 2001518)。郭傳飛副教授為論文唯一通訊作者,南方科技大學(xué)為第一單位和通訊單位。論文第一作者為課題組研究助理黃俊,他也是課題組畢業(yè)的2019屆碩士生,課題組博士后王柳對(duì)該工作的力學(xué)計(jì)算方面做出重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)、深圳市基礎(chǔ)研究學(xué)科布局等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001518

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