课题组在Adv. Funct. Mater.发表综述:柔性电子学—可拉伸电极及其未来

2019-08-07

 

       柔性电子学作为一种新兴的具有广阔应用前景的交叉科学,主要研究在大应力状态下工作的高性能柔性电子材料。南方科技大学材料系郭传飞副教授和美国休斯敦大学物理系任志锋教授(共同通讯作者)在Adv. Funct. Mater.在线刊登了题为“Flexible Electronics: Stretchable Electrodes and Their Future”的综述。文章从结构设计的角度介绍了基于剪纸艺术设计策略的新型可拉伸透明电极材料的最新研究进展及应用,涵盖了电子皮肤、植入式可降解电子材料以及仿生软体机器人等领域。南方科技大学前沿与交叉科学研究院黄思雅副研究员和休斯顿大学刘嫄博士为本文第一作者。

       电极是各类电子产品中不可或缺的组成部分。目前最常见的透明电极材料是掺杂的氧化物半导体薄膜,例如氧化铟锡(ITO),其良好的光学透光率和导电性使其在光电子显示领域占据了数十年的主导地位。然而,传统的ITO薄膜无法满足未来可穿戴柔性电子产品对力学柔性要求。应用于弹性体衬底上的透明柔性电极(FTEs)在使用过程中需要承受弯曲、折叠、扭曲,甚至拉伸等大应变形变模式,对材料的力学性能提出了更高的要求。

       近年来,可拉伸电极的研究发展推动了可穿戴电子产品、电子皮肤、可植入医疗电子设备、软体机器人、以及新型柔性人机界面等领域的兴起。这些具有良好力学柔性和生物相容性的电子产品在人体健康监测和生物医疗领域中发挥着越来越重要的作用,并将极大改善现有的医疗健康体系并彻底改变人类与电子产品之间的关系。据报道,各类仿生软体机器人具有类似皮肤的柔性传感功能和类似肌肉组织的软体驱动器,可通过柔性人机界面与人类和周围环境进行友好的实时互动,从而实现完整的“人-机”互动反馈体系(图1)。随着可穿戴和可植入式电子设备的出现,以及对智能软体机器人不断增长的需求,学术界和工业界已将目光投向了研制开发同时具有优异力学柔性和电学特性的功能电子材料。其中,可拉伸电极材料的研制是关键。

图1. 柔性电极、柔性电子设备和软体机器人之间的关系

       文章系统比较了不同电极材料的光电性能和力学性能,并对常用电极材料的优缺点进行了评述。此外,文章还深入探讨了材料的几何形状设计(图2)、衬底选择以及电极-衬底粘附力对电极拉伸性能的影响,揭示了设计制备可拉伸电极的一种通用策略,并阐释了具有生物相容性的可拉伸电极在人体(图3)和新型智能仿生电子产品(图4和图5)中的应用。

图2. 可拉伸电极的几何形状与剪纸结构设计

 

图3. 柔性电子器件在人体上的应用

 

图4. 多功能电子皮肤的特性示例

 

图5. 柔性电极在电驱动软体驱动器的应用示例

       文章最后指出,虽然柔性电子领域取得了很多令人鼓舞的进展,但依然面临着巨大的挑战。同时集成了物理、化学和电生理信号测试传感功能的可穿戴综合医疗健康监测系统,可以为人们提供一个更加全面的个人生理健康状态图像,是未来医疗健康领域发展的方向。此外,将具有不同功能的柔性电子元件(包括传感、驱动、数据传输和分析、能源,以及能量收集转化系统等)集成于一体的智能柔性电子系统能够对内部和外部信号进行实时感应和动态反馈,是智能制造领域的热点研究方向之一。

该论文作者为:Siya Huang, Yuan Liu, Yue Zhao, Zhifeng Ren, Chuan Fei Guo

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805924