高延展性柔性電子器件非屈曲結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用研究獲進(jìn)展

　　無機(jī)柔性電子器件仍然采用硅和金屬為材料體系，以柔性基體代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子器件的剛性基體，同時加之可延展力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得電子器件在發(fā)生整體變形的情況下，器件內(nèi)部的硅和金屬材料仍然不被破壞，從而實(shí)現(xiàn)了電子器件的可變形能力。柔性電子器件在服役過程中往往要與任意不可展曲面（如人體表面）動態(tài)貼合，所以，其可延展能力至關(guān)重要（圖1）。

　　可延展柔性電子器件一般由不可變形的功能元器件和可延展結(jié)構(gòu)組成。過去十年中，柔性電子器件可延展結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷革新，以滿足不同的設(shè)計要求，從一維結(jié)構(gòu)發(fā)展到二維和三維結(jié)構(gòu)，從簡單的單級結(jié)構(gòu)發(fā)展到多級分形結(jié)構(gòu)。這些可延展結(jié)構(gòu)可以分為兩類：1）自由結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)與基體不粘接，變形過程中結(jié)構(gòu)不受基體約束，可自由變形，延展性大，但不可封裝；2）粘接結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)與基體粘接在一起，變形過程中結(jié)構(gòu)受到基體約束，延展性較?。?lt;60%），封裝層對其延展性影響不大。實(shí)際器件應(yīng)用中往往要求封裝，且不變形的功能元器件需要占用一定的面積分?jǐn)?shù)，實(shí)際器件的延展性往往只有百分之十幾。所以，柔性電子器件要實(shí)際應(yīng)用，急需研究可封裝且延展性大的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　之前的可延展結(jié)構(gòu)設(shè)計主要為曲線“薄膜”結(jié)構(gòu)（圖2a），寬度一般在幾十微米，厚度在幾百納米到1～2微米，在整體拉伸變形的情況下，結(jié)構(gòu)發(fā)生褶皺變形或側(cè)向屈曲。近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所柔性結(jié)構(gòu)與器件課題組與美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校及美國西北大學(xué)等學(xué)校的科研人員合作，另辟蹊徑，提出了非屈曲結(jié)構(gòu)設(shè)計，即將導(dǎo)線的厚度增大到與寬度同一量級，數(shù)值計算和實(shí)驗(yàn)測試均發(fā)現(xiàn)其延展性大大提高（圖2b），優(yōu)化值可以達(dá)到350%，是目前薄膜結(jié)構(gòu)達(dá)到的最大值（60%）的6倍。同時，由于導(dǎo)線厚度的增加，其電阻大大減小，為電子器件提供了良好的電學(xué)性能和熱學(xué)性能。

　　鑒于其優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，非屈曲結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于三種可延展柔性電子器件的研制中：1）可延展LED陣列。其拉伸前構(gòu)型如圖3a所示，整體拉伸245%后仍能正常工作（圖3b）。另一方面，相對于薄膜結(jié)構(gòu)，其厚度增加電阻減小，生成熱也大大減小，與厚度為300納米的結(jié)構(gòu)相比，其最高溫度由200多度降低到80度，展示了其良好的熱學(xué)性能。2）可延展太陽能電池。圖e展示了基于非屈曲結(jié)構(gòu)的太陽能電池的變形情況，在整體拉伸應(yīng)變從0增加到110%的過程中，電池性能穩(wěn)定不發(fā)生變化（圖2f）。3）可用于皮膚電子通訊的可延展柔性天線。

　　該工作相關(guān)論文近日已被國際期刊《先進(jìn)材料》接收（Yewang Su, et al., In-Plane Deformation Mechanics for Highly Stretchable Electronics. Advanced Materials. Accepted）。該研究工作受到了中科院“百人計劃”項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。

圖1 a）與可展曲面貼合，只需可彎曲能力；b）與不可展曲面貼合，必需可延展能力

圖2 a）柔性電子器件常采用的基本曲線結(jié)構(gòu)；b）彈性延展性與可延展結(jié)構(gòu)厚度的關(guān)系

圖3 （a, b, c & d）可延展LED陣列；（e & f）可延展太陽能電池。