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利用热辐射辅助金属封装制备高稳定、可拉伸导电薄膜

已有 1244 次阅读 2021-4-20 23:44 |系统分类:科普集锦

可拉伸导体是先进柔性电子器件的基本单元,如皮肤传感器、可拉伸电池和柔性软制动器等。目前的制造方法主要集中在导体的可拉伸性上,而忽略了导电材料与聚合基板融合与协调,这会导致在长期使用过程中出现稳定性问题。

对此,研究者提出了一种新的制备方案,即在金属与基底材料形成互锁效应的基础上,利用热辐射辅助金属封装(TRAP)的新方法来制备高延展性和稳定的可拉伸导电薄膜。通过这种界面设计方法,可以实现具有高拉伸性(>130%)和循环稳定性(>10000次循环)、高界面附着力(>2MPa)和大活性表面积的薄膜导体(图一)。此外,这种导体可以很容易用简单的方法进行规模化(15cm×15cm)制造,其中的关键步骤便是使用半聚合PDMS作为金热沉积的基底材料。

1.可拉伸的半聚合PDMS基底膜

本文中,在热镀膜过程支撑基片被用来接收从金源蒸发出来的金原子。研究者利用软基片,使得金原子可以通过三维扩散渗透到基片中,形成一个新的联锁层(金膜)。蒸发的金原子/团簇在其逐渐聚合过程中可在蒸发源的热辐射的辅助下渗透到半聚合PDMS中,从而使得PDMS封装金原子/团簇,二者形成复合互锁层。通过金层和PDMS基板之间独特的界面效应进行应变重分布,继而获得具有高拉伸性(>130%)的导电薄膜,由于金原子通过3D扩散工艺渗透到聚合物中形成500nm厚的具有褶皱的金膜层,因此,金膜与基体之间具有高附着力(>2MPa)。

2. 金层和PDMS基板复合互锁后的拉伸效果

利用TRAP方法制备的300nm导电薄膜实现的可拉伸性高达130%,而用常规方法沉积的相同厚度的金膜,在机械拉伸应变约为10%时,便会产生贯穿裂纹(图二)。由此可知,TRAP制备的导电薄膜的拉伸性能优于传统的沉积方法制备的导电薄膜。

利用TRAP方法成功制备了具备高稳定、可拉伸性能的导电薄膜,且研究者检测了薄膜的各项性能,结果表面该方法均优于传统的制备方法。在受试者皮肤上检测到稳定的人体生物信号,说明该导电薄膜具备了将来应用于靶向肌肉神经重建的临床试验的全部性能(图三)。在临床试验中,研究者将封装好的导电薄膜(电极)分别粘附在正常人和残疾人的前臂皮肤表面,当他们做运动时,可以记录到肌电信号和体表皮肤的应变信号,采集的信号数据均显示出良好的同步性,另一研究结果表明,皮肤的形变也可以用于肢体动作的精确识别,当与表面肌电信号同步分析,受试者肢体动作识别的精度将一步提高,其中残疾人的肢体动作识别精度尤为出色。

3. 验证可拉伸导电薄膜(电极)在人体与大鼠模型试验中的效果

在研究中,研究者还利用大鼠模型成功地证明了利用导电薄膜可以在大鼠体内长期监测肌肉电信号,将电极植入大鼠体内,采集肌肉内的肌电信号,通过自制的无线发射模块将肌肉内的肌电信号传输给信号处理单元,且整个电极植入和肌电信号的采集过程对大鼠的日常行为活动影响不大。通过对肌电信号进行频谱分析,以这种方式采集的肌电信号显示出低噪声。此外,研究者还对大鼠进行了长期(四个月)的肌电信号监测试验。上述动物实验与人体试验的研究结果表明:可拉伸导电薄膜(电极)具备长期在皮肤和体内进行肌电信号采集与监测的能力。

综上,本研究所制备的可拉伸导电薄膜在可植入式柔性电极、体表与体内电生理信号采集、可拉伸智能传感器等领域具有巨大的应用潜力,研究中提出的设计与技术方案将会促进高性能可拉伸导体的发展,以供实际工程与临床应用。 

References

  1. Zhiyuan Liu#, Hui Wang#, Pingao Huang, Jianping Huang, Yu Zhang, Yuanyuan Wang, Mei Yu, Shixiong Chen, Dianpeng Qi, Ting Wang, Ying Jiang, Geng Chen, Guoyu Hu, Wenlong Li, Jiancan Yu, Yifei Luo, Xian Jun Loh, Bo Liedberg, Guanglin Li*, Xiaodong Chen*. Highly Stable and Stretchable Conductive Films through Thermal-Radiation-Assisted Metal Encapsulation, Adv. Mater. 2019, 31, 1901360. DOI: 10.1002/adma.201901360


本文作者:李晨阳(南昌大学,资环学院)


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