柔性电子材料不长皱纹的设计新思路

来源：X一MOL资讯

柔性电子技术正悄无声息地融入日常生活的方方面面，曾被《科学》杂志评为世界十大科技成果之一。柔性电极和柔性电子器件通常由硬-软双层或多层结构组成。然而，硬-软结构在变形过程中极易发生失稳，其中最为常见的形式是表面褶皱。通常，硬膜-软基体系起皱所需的临界应变非常小，一旦受到挤压就很容易生长褶皱。连绵的山川、皮肤表面的皱纹、瓜果表面的纹理均被认为是硬-软结构失稳所致。

柔性透明电极是柔性光电子器件中的核心部分，如果其表面生长褶皱，将会造成粗糙度的迅速上升和透射率的急剧下降。因此，发展抗褶皱的柔性透明电极和相关器件对柔性电子技术有重要意义。

图1、泊松比对双层结构起皱行为的影响示意图

近日，南方科技大学的郭传飞副教授、洪伟教授和休斯顿大学任志锋教授等人合作提出了无褶皱柔性电子设计新思路。该工作在线发表于材料领域著名期刊Advanced Materials上。团队在研究中发现，如果双层体系中硬膜（例如柔性电极的金属导电层）的等效泊松比（网络或多孔等非块体材料在受拉或受压时产生的泊松比）超过一个临界值，那么该双层结构在单向拉伸、单向压缩、或者贴附在预拉伸的衬底上释放后均不会生长褶皱。在形变量很小的情况下，这个临界值约为2，即当导电层的泊松比大于2时，柔性透明电极在拉伸或者压缩时都不生长褶皱。

一般均质固体材料的泊松比都不超过0.5，因此普通的金属膜-高弹体体系都极易起皱。但许多镂空网络结构的等效泊松比却有可能大于2。同时，网络结构还具有较高的可拉伸性，可以被用作柔性透明电极。不过当拉伸量很大时，金属网络中也会萌生裂纹，使得泊松比降低，导致褶皱，实验中也观察到了褶皱和裂纹的伴生现象。

研究结果说明，只有柔性电极或器件同时具有良好的可拉伸性和很大的有效泊松比时，这种抗皱机制才可以被发挥出来。

图2、泊松效应对柔性电极和柔性电子器件光学及电学性能的影响

该团队还发现，某些网络结构的有效泊松比随着应变的增大而增大，在应变较小时泊松比还达不到抑制褶皱的临界值；但随着应变增大，其等效泊松可能超过临界值。研究预测并观察到了这种结构的反常褶皱现象：当变形较小时，电极中出现了褶皱；而随着变形的增大，褶皱反而消失了。

图3、几种网络结构的有效泊松比，以及一种反常褶皱生长行为的实验结果

需要指出的是，本研究中提出的采用大泊松效应来抑制褶皱生长的思路具有普适性，并不局限于某种特殊材料。除了各种柔性电子器件中的应用外，它还可能在其他工程应用中的硬-软双层或多层结构中被用来抑制或消除褶皱。

南科大材料系博士生王燕为论文第一作者，郭传飞和休斯顿大学任志锋教授为共同通讯作者，共同参与工作的还有哈佛大学锁志刚教授和南科大洪伟教授。本研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市基础研究学科布局项目和广东省“珠江人才计划”创新创业团队的支持。

郭传飞博士简介

郭传飞博士现任南方科技大学材料科学与工程系副教授。2016年加入南方科技大学。主要研究领域为柔性电子学、智能软体机器人、微纳米加工、纳米材料的生长与性能等。已在Nature Communications，PNAS，LSA，JACS，Advanced Materials，Nano Letters等学术期刊上发表论文90余篇，申请专利22项，已获中、美、日等国专利授权10项。参与编写英文专著一部。关于柔性透明电极方面的研究成果被《New York Times》、《新华网》、《Science Daily》、《Materials Today》、《Physics Today》等新闻媒体与科技刊物广泛报道。主持和参与国家自然科学基金重点项目、广东省“引进创新创业团队”、深圳市基础研究学科布局等项目。课题组实验条件完备、经费充足、科研氛围良好，欢迎广大青年才俊加入（guocf@sustc.edu.cn）。