课题组在Adv. Funct. Mater.发表柔性电子材料转移技术

2020-04-18

 

       近年来,柔性电子材料的发展非常迅速,它在表皮电子、可植入电子、可穿戴设备、太阳能电池、软体机器人等领域有着广泛的应用。然而,柔性电子材料的转移制约着柔性电子工业的发展。常见的转移方法需要使用一个印章(stamp)将已制备的柔性电子材料或器件从基底转移到印章上,然后再转移到另外一个基底上,或直接利用印章材料作为衬底。按照印章材料的刚度不同,电子材料的转移可划分为两种情形:使用软印章(soft stamp)转移,以及使用硬印章(stiff stamp)转移。使用软印章(常见的材料为PDMS和Ecoflex等硅橡胶弹性体等)转移时,由于印章材料很软,因此在它与衬底剥离的界面上会产生很大的应变,有可能会超过柔性电子材料的拉伸极限,进而导致该柔性电子材料的结构被破坏而失去其功能,如图1所示。使用硬印章转移的方法则可有效地避免该问题,但是硬基底并不能用于可拉伸电子技术。如何解决这一矛盾是柔性电子材料和器件转移的一个关键问题。

图1. 柔性电子材料转移时其承受的最大应变和印章材料刚度之间的关系

       近日,课题组通过调控印章材料刚度的方法成功地解决了该问题——转移时,使印章保持很高的刚度,减少转移过程中电子器件中承受的最大应变;转移完之后,再把印章材料软化,直接作为可拉伸衬底。课题组研究助理黄俊采用了一种刚度可变、钙离子掺杂的丝素蛋白材料作为印章。丝素蛋白是蚕茧去除丝胶后留下的天然蛋白,它在不同相对湿度下有着非常大的可变刚度范围,杨氏模量可从134 KPa变化至1.84 GPa,对应的相对湿度分别为84%和33%。具体的策略是:在低湿度条件下(RH在33%-49%范围,印章材料的弹性模量保持在100 MPa至1.84 GPa)进行柔性电子材料的转移,剥离后再把丝素蛋白至于高湿度的环境中,以使它发生软化,其弹性模量降为0.1 MPa至2 MPa,和皮肤相当,可直接用作表皮电极(图2)。得益于丝蛋白表皮电极与皮肤良好的力学匹配,它可以与皮肤的纹理完美融合,除了具有良好的可拉伸性能之外,比常用的Ag-AgCl商用凝胶电极有更低的界面阻抗和更高强度的肌电信号(EMG)。此外,该表皮电极在人体皮肤上贴附10天后没有产生明显的不良反应。将柔性电子材料和器件转移到人体皮肤或其它非平面粗糙表面是非常困难的,本工作却提供了一种简单易行的新思路和新方法。

图2. 丝蛋白表皮电极与皮肤粘附效果展示

       该工作近日在线发表在Advanced Functional Materials 期刊上(DOI: 10.1002/adfm.202001518)。郭传飞副教授为论文唯一通讯作者,南方科技大学为第一单位和通讯单位。论文第一作者为课题组研究助理黄俊,他是2017级南科大-哈工大联培硕士毕业生。课题组博士后王柳对该工作的力学计算方面做出重要贡献,南科大16级本科生金宇明、课题组研究助理路鹏等人也对该工作有较大贡献。华中科技大学吴志刚教授对该研究工作提出了指导意见。该研究得到了国家自然科学基金、广东省珠江人才计划创新创业团队、深圳市基础研究学科布局等项目的支持。