高延展性柔性電子器件非屈曲結(jié)構設計與應用研究獲進展

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

　　之前的可延展結(jié)構設計主要為曲線“薄膜”結(jié)構（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)構發(fā)生褶皺變形或側(cè)向屈曲。近日，中國科學院力學研究所柔性結(jié)構與器件課題組與美國伊利諾伊大學香檳分校及美國西北大學等學校的科研人員合作，另辟蹊徑，提出了非屈曲結(jié)構設計，即將導線的厚度增大到與寬度同一量級，數(shù)值計算和實驗測試均發(fā)現(xiàn)其延展性大大提高（圖2b），優(yōu)化值可以達到350%，是目前薄膜結(jié)構達到的最大值（60%）的6倍。同時，由于導線厚度的增加，其電阻大大減小，為電子器件提供了良好的電學性能和熱學性能。

　　鑒于其優(yōu)良的力學、電學和熱學性能，非屈曲結(jié)構被應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，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性能。2）可延展太陽能電池。圖e展示了基于非屈曲結(jié)構的太陽能電池的變形情況，在整體拉伸應變從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。

　　該工作相關論文近日已被國際期刊《先進材料》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”項目和國家自然科學基金面上項目的資助。

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；b）彈性延展性與可延展結(jié)構厚度的關系

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