Adv. Mater.綜述: 面向軟體電子器件的材料和結構

【引言】

曲面，無論是靜態的（例如復雜形狀的物體）還是動態的（例如生物體表面），在自然界中普遍存在。軟體電子器件（包括柔性電子器件和可拉伸電子器件）能夠與復雜的曲面表面無縫銜接，顯著擴展了傳統剛性電子器件在傳感、監測、診斷和干預等功能方面的能力。首先，軟體器件與非平面物體之間的緊密接觸將允許高質量數據的采集。對于剛性電子器件，器件和物體界面處的空隙減小了兩者接觸面積，并且可能會引入噪聲和偽信號，從而影響信號質量。其次，可折疊、低占空比的軟體器件可以實現移動和分布式傳感，極大可能地促進物聯網技術的發展。最后，在醫療設備領域，這也可能是目前該領域蓬勃發展的主要推動力，軟體電子器件與人類皮膚和組織具有相似的機械性能，因此對人體的刺激最小，成為未來持續健康監測和醫療保健的關鍵技術。

根據曲面能否展成平面分類，曲面分為可延展曲面和不可延展曲面。可延展曲面具有零高斯曲率，在非拉伸或非壓縮情況下能夠展開成平面，例子包括圓柱和圓錐表面。不可延展曲面則不滿足此標準，例子包括球面和人的身體表面。根據定義，柔性電子器件僅能覆蓋可延展曲面，而可拉伸性則變得需要當器件想要無縫集成于不可延展曲面。兩種策略能夠賦予器件可拉伸性能：1) 材料創新，通過合成本征可拉伸的或者集成可拉伸的材料；2) 結構設計，賦予不可拉伸材料特殊的機械結構，通過材料結構形變吸收施加在器件上的應力應變，從而避免材料本身失效。

【成果簡介】

近日，加州大學圣地亞哥分校徐升課題組在Adv. Mater.上發表題為Materials and Structures toward Soft Electronics的綜述文章，全面總結了基于上述兩種策略構建可拉伸電子器件的進展。其中，材料部分總結了水凝膠、液態金屬、導電聚合物和納米材料面向于可拉伸電子器件應用的各種材料特性及其加工方法和代表應用；結構部分重點介紹了waves/wrinkles, island–bridges?(包括serpentine, self-similar, spiral, arc-shape, non-coplanar serpentine, helix), textiles, origami, kirigami, cracks, and interlocks在賦予器件可拉伸性時的機械設計考慮和器件工作時的力學特性，相關的工作機制、加工方法和代表應用等也被提及。最后，作者展望了可拉伸電子目前面臨的挑戰及未來可能的研究方向，例如增加元器件集成度，延長器件工作壽命，降低器件功耗和制造成本，提高可拉伸能源器件能量密度，改善器件生物相容性和穿戴舒適度，實現無線信號傳輸和能量輸送。

【圖文導讀】

圖1：綜述總覽圖（面向軟體電子器件的材料和結構）

圖2：水凝膠用于軟體電子器件

圖3：液態金屬用于軟體電子器件

圖4：導電聚合物用于軟體電子器件

圖5：納米材料導電復合物制備方法

圖6：納米顆粒導電復合物導電機制及特性

圖7：一維納米材料可拉伸導體導電機制及特性

圖8：二維納米材料可拉伸導體導電機制及特性

圖9：Waves/winkles結構用于軟體電子器件

圖10：Serpentine結構用于軟體電子器件

圖11：Self-similar結構用于軟體電子器件

圖12：Spiral結構用于軟體電子器件

圖13：Arc-shape結構用于軟體電子器件

圖14：非平面serpentine結構用于軟體電子器件

圖15：Helix結構用于軟體電子器件

圖16：Origami結構用于軟體電子器件

圖17：Karigami結構用于軟體電子器件

圖18：Textile結構用于軟體電子器件

圖19：Crack結構用于軟體電子器件

圖20：Interlock結構用于軟體電子器件

文獻鏈接:?Materials and Structures toward Soft Electronics. Adv. Mater. 2018, 1801368. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.201801368)

本文由王春楓課題組供稿，材料牛編輯整理。

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