Adv. Funct. Mater. 剛度可調的絲素蛋白用于實現高彈性柔性電子器件的轉移

【引言】

近年來，可伸縮柔性電子技術受到了研究者的廣泛重視。透明柔性電極在表皮電子，植入式電子，可穿戴設備和軟體機器人等領域有著廣泛的應用。在電子工業中，將電子器件從一種基底轉移到另一種基底是一個關鍵的過程。傳統的鍵合工藝對于剛性電子材料或器件的傳輸很有效；但是對于柔性可拉伸電子器件并不適用。柔性電子器件的轉移通常包括兩個步驟：首先將需要轉移的電子器件印章壓在目標基板上，然后將電子器件從原來的基底上剝離。這個過程往往要求電子器件印章與目標基板具有很強的附著力，才能保證電子器件完全剝離。然而，在堅硬的界面施加一個大應力可能會超過剝離時電子器件的拉伸極限。只有當被轉移的電子器件厚實而堅固時，才能實現成功地轉移。然而，超薄精細的電子器件很容易在轉移的過程產生機械損傷而影響器件性能。因此，如何避免在可拉伸電子器件的轉移過程中軟壓模中的機械損傷仍然是一個難題。此外，將可拉伸性電子器件轉移到非平面或紋理表面也是一個很大的挑戰。

【研究簡介】

近日，南方科技大學郭傳飛團隊聯合華中科技大學吳志剛在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇題目為“Tuning the Rigidity of Silk Fibroin for the Transfer of Highly Stretchable Electronics”的文章。該研究采用彈簧狀金納米網作為可拉伸導體，絲素蛋白加鈣離子作為壓印和接收基板。在轉移過程中，當從供體基質上剝離金納米網絡時，絲素蛋白被調整為剛性，剝離后，絲素蛋白被調至高度柔軟。實驗證明，剛性絲素蛋白能夠完全保證轉移的金納米網絡而不受任何損傷，而軟化后的絲素蛋白/金納米網絡電極又能夠穩定地貼在皮膚上。

【圖文簡介】

圖1 電子器件的轉移

a-b）分別使用軟印章和硬印章轉移超薄電子器件的示意圖；

c）從PDMS基底上剝離絲素蛋白時，應變是彈性模量的函數，剝離角固定為≈30°。

圖2高延展性金納米網絡電極的轉移

a）利用絲素蛋白轉移波浪狀金納米網絡電極的示意圖；

b）波狀金納米網絡電極的掃描電鏡圖像；

c）隨預應變和不預應變時，電阻與應變的變化關系；

d）超過100 k次施應變/釋應變循環的標準化電阻；

e-f）用模量分別為134 kPa和1.84 GPa的絲素蛋白基底剝離預應變金納米網絡電極的形貌；g）轉移后的金納米網絡電極的歸一化電阻隨應變的變化；

h）絲金納米網絡電極的掃描電鏡圖像。

圖3 可拉伸電極的轉移機理

a） 剝離時絲素蛋白基板產生的應變與其楊氏模量的關系，剝離角為0°，30°，60°和90°；

b）絲素蛋白在不同相對濕度下的楊氏模量變化曲線圖。

圖4 絲表皮電極的電學和機械穩定性

a-b）顯示硬絲/皮膚和軟絲/皮膚界面的示意圖；

c）絲和皮膚復制品之間界面的掃描電鏡圖像；

d）絲電極在皮膚上的光學圖像，顯示絲電極與皮膚紋理吻合良好；

e）絲電極與人手皮膚的最大粘附強度可達60 N m^-1；

f）絲表皮電極，處于擠壓、扭曲和拉伸的不同機械狀態；

g）絲與金膜、銀納米線（AgNW）電極和金納米網格電極疊層在皮膚上的照片；

h-i）分別在反復皮膚拉伸和皮膚擠壓下，絲表皮電極電阻的標準化變化。

圖5 絲表皮電極的皮膚電子學

a）絲表皮電極與Ag-AgCl凝膠電極的皮膚界面阻抗譜研究；

b）利用絲表皮電極和Ag-AgCl凝膠電極實現肌電信號，插圖為不同電極采集到的信號的噪聲強度對比；

c）絲表皮電極貼至人手皮膚上的照片；

d）取絲表皮電極貼附10天且移除電極后的手皮膚照片，說明對皮膚無害。

【小結】

綜上所述，作者介紹了一種使用一種剛度可調節的絲素蛋白基板來轉移高度可拉伸和超薄的電子的方法。絲素蛋白的硬度可以改變四個數量級，從≈100 kPa（很好地匹配人類皮膚的硬度）到≈1 GPa。硬絲素蛋白首先用于安全地從供者基底上剝離可伸展電極，然后軟化，在人體皮膚上形成適形層壓。這種絲電極在皮膚上層壓10天后不會引起皮膚刺激。該研究還證明，與商用Ag-AgCl凝膠電極相比，該電極具有更小的EMG信號噪聲水平。該工作為轉移高度可拉伸微電子集成到人體和其他非平面表面提供了一種新的策略。

文獻鏈接：Tuning the Rigidity of Silk Fibroin for the Transfer of Highly Stretchable Electronics, Adv. Funct. Mater. , 2020, DOI: 10.1002/adfm.202001518.