冯雪ACS AMI：用于增材制造可延展电子器件的均质界面增强策略学术资讯

来源：科匠学术

功能部件间的界面问题是柔性电子器件所无法回避的，因其是引起界面滑移、脱层、破裂等情况的根本原因。这将会导致器件性能衰减恶化，甚至失效。如何构建具有高强度和低阻抗的鲁棒连接界面是推动柔性电子器件，尤其是可延展柔性电子器件，实际应用和衍生发展的关键难题。

针对上述问题，浙江清华柔性电子技术研究院的研究团队提出了一种解决可延展柔性电子器件界面问题的新策略，利用材料本征物化特性的一致性，在不引入第三介质层的基础上，有效增强界面强度并大幅降低界面阻抗。同时，通过快速直写具有鲁棒界面的表皮电子器件，实现多运动和多状态下生理应变信号的精准监测，为未来可延展柔性电子器件的先进制造提供了重要支撑。该成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces。

为证明该策略的普适性，研究者选用了商业化碳纳米管（CNT）和聚氨酯弹性体（TPU）作为原材料，制备了两种组分相同但是功能特性差异巨大的碳纳米管-聚氨酯弹性复合体（CTC），即均匀复合体和非均匀复合体。

图1. 具有不同分散形态的两种碳纳米管-聚氨。

通过横向对比发现，均匀复合体导电性更好，零点漂移更小；而非均匀复合体的应变敏感度更高，模量更小。在掺杂15 wt%CNT时，两种复合体导电性、应变敏感度和模量之间的差异能分别达到281倍、15.7倍和7.1倍。这种巨大差异是由分散形态差异所导致。有趣的是，高灵敏度的非均匀复合体能够精准检测脉搏微弱信号，并识别出其中生理特征，展现出极高的医用价值。基于上述功能特性差异，均匀复合体和非均匀复合体可以分别用作应变监测器件中的电学传输部件和力学传感部件。

图2. 均匀复合体和非均匀复合体的功能特性对比。

通过溶胀-干燥，在上述两种复合材料之间构建了连接界面，用于模拟真实器件内部不同功能部件之间的连接状态。理论建模分析和实际测试证明，所构建的连接界面具有高界面强度和低界面阻抗，以及拉伸变形下的鲁棒性。

图3. 力学-电学测试、理论模型分析和界面增强机理。

均质界面增强策略的有效性的原因在于，在溶胀后两种复合体连接界面处的聚氨酯高分子被部分溶解，高分子链的自由度得到提高。界面两侧物化特性相同的高分子链会逐渐纠缠，引发互锁效应，从而大幅增强界面强度。同时，高分子链的纠缠又会驱使碳纳米管对向移动，实现导电渗流网络的重构，降低界面阻抗。

图4. 快速直写可延展柔性电子器件，多运动和多状态下生理应变信号的监测。

最后，利用增材制造技术快速直写了具有鲁棒连接界面的表皮柔性电子器件，实现了运动信号和生理信号等监测，成功例证了此均质界面增强策略在未来快速制造可延展柔性电子器件中的应用价值。

第一作者为傅棋琪助理研究员，通讯作者为冯雪教授。浙江清华柔性电子技术研究院是清华大学探索多学科交叉与校地合作新模式的试点，是浙江省人民政府与清华大学共同打造的新型高端科研机构。

Authors: Qi-Qi Fu, Tao Zhou, Ying Chen, Jianliang Xiao, Jingxian Xu, Zhao Pan, and Xue Feng*

Title: Homogeneity Permitted Robust Connection for Additive Manufacturing Stretchable Electronics

Published in: ACS Applied Materials & Interfaces, doi: 10.1021/acsami.0c13071.

来源：kejiang_Science 科匠学术

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