南方科技大學郭傳飛課題組在柔性電子轉移技術上取得進展

近年來,柔性電子材料的發展非常迅速,可用於表皮電子和可植入電子器件、可穿戴設備、新型能源系統、軟體機器人等領域。

然而,柔性電子材料的轉移制約著柔性電子技術的發展。常見的轉移方法需要使用一個印章(stamp)將已制備的柔性電子材料或器件從襯底轉移到印章上,然後再轉移到另外一個襯底上,或直接把軟印章材料作為襯底。可拉伸電子器件通常需要采用軟襯底。使用軟印章(常見的材料為PDMS和Ecoflex等矽橡膠彈性體等)轉移時,由於印章材料很軟,因此在它與襯底剝離的界面上會產生很大的應變,有可能會超過柔性電子材料的拉伸極限,進而導致該柔性電子材料的結構被破壞而失去其功能(圖1)。使用硬印章轉移的方法則可有效地避免該問題,但是硬基底並不能用於可拉伸電子技術。如何解決這一矛盾是柔性電子材料和柔性電子器件轉移的一個關鍵問題。

南方科技大學郭傳飛課題組在柔性電子轉移技術上取得進展
圖1. 柔性電子材料轉移時其承受的最大應變和印章材料剛度之間的關系

近日,南方科技大學郭傳飛課題組通過調控印章材料剛度的方法成功地解決瞭該問題——轉移時,使印章保持很高的剛度,減少轉移過程中電子器件中承受的應變;轉移完之後,再把印章材料軟化,直接作為可拉伸襯底。他們采用瞭一種剛度可變、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後留下的天然蛋白,它在不同相對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,對應的相對濕度分別為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)進行柔性電子材料的轉移;剝離後再把絲素蛋白置於高濕度的環境中,使它發生軟化,其彈性模量降為0.1 MPa至2 MPa,和皮膚相當,可直接用作表皮電極(圖2)。得益於絲蛋白表皮電極與皮膚良好的力學匹配,它可以與皮膚的紋理完美融合,除瞭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(EMG)。此外,該表皮電極在人體皮膚上貼附10天後沒有產生明顯的不良反應。通常,將柔性電子材料和器件轉移到人體皮膚或其它非平面粗糙表面是非常困難的,而本工作卻提供瞭一種簡單易行的新思路和新方法。

南方科技大學郭傳飛課題組在柔性電子轉移技術上取得進展
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,他也是課題組畢業的2019屆碩士生,課題組博士後王柳對該工作的力學計算方面做出重要貢獻。該研究得到瞭國傢自然科學基金、廣東省珠江人才計劃創新創業團隊、深圳市基礎研究學科佈局等項目的支持。

論文鏈接:

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

相关文章