Adv. Mater.综述: 面向软体电子器件的材料和结构

【引言】

曲面，无论是静态的（例如复杂形状的物体）还是动态的（例如生物体表面），在自然界中普遍存在。软体电子器件（包括柔性电子器件和可拉伸电子器件）能够与复杂的曲面表面无缝衔接，显著扩展了传统刚性电子器件在传感、监测、诊断和干预等功能方面的能力。首先，软体器件与非平面物体之间的紧密接触将允许高质量数据的采集。对于刚性电子器件，器件和物体界面处的空隙减小了两者接触面积，并且可能会引入噪声和伪信号，从而影响信号质量。其次，可折叠、低占空比的软体器件可以实现移动和分布式传感，极大可能地促进物联网技术的发展。最后，在医疗设备领域，这也可能是目前该领域蓬勃发展的主要推动力，软体电子器件与人类皮肤和组织具有相似的机械性能，因此对人体的刺激最小，成为未来持续健康监测和医疗保健的关键技术。

根据曲面能否展成平面分类，曲面分为可延展曲面和不可延展曲面。可延展曲面具有零高斯曲率，在非拉伸或非压缩情况下能够展开成平面，例子包括圆柱和圆锥表面。不可延展曲面则不满足此标准，例子包括球面和人的身体表面。根据定义，柔性电子器件仅能覆盖可延展曲面，而可拉伸性则变得需要当器件想要无缝集成于不可延展曲面。两种策略能够赋予器件可拉伸性能：1) 材料创新，通过合成本征可拉伸的或者集成可拉伸的材料；2) 结构设计，赋予不可拉伸材料特殊的机械结构，通过材料结构形变吸收施加在器件上的应力应变，从而避免材料本身失效。

【成果简介】

近日，加州大学圣地亚哥分校徐升课题组在Adv. Mater.上发表题为Materials and Structures toward Soft Electronics的综述文章，全面总结了基于上述两种策略构建可拉伸电子器件的进展。其中，材料部分总结了水凝胶、液态金属、导电聚合物和纳米材料面向于可拉伸电子器件应用的各种材料特性及其加工方法和代表应用；结构部分重点介绍了waves/wrinkles, island–bridges (包括serpentine, self-similar, spiral, arc-shape, non-coplanar serpentine, helix), textiles, origami, kirigami, cracks, and interlocks在赋予器件可拉伸性时的机械设计考虑和器件工作时的力学特性，相关的工作机制、加工方法和代表应用等也被提及。最后，作者展望了可拉伸电子目前面临的挑战及未来可能的研究方向，例如增加元器件集成度，延长器件工作寿命，降低器件功耗和制造成本，提高可拉伸能源器件能量密度，改善器件生物相容性和穿戴舒适度，实现无线信号传输和能量输送。

【图文导读】

图1：综述总览图（面向软体电子器件的材料和结构）

图2：水凝胶用于软体电子器件

图3：液态金属用于软体电子器件

图4：导电聚合物用于软体电子器件

图5：纳米材料导电复合物制备方法

图6：纳米颗粒导电复合物导电机制及特性

图7：一维纳米材料可拉伸导体导电机制及特性

图8：二维纳米材料可拉伸导体导电机制及特性

图9：Waves/winkles结构用于软体电子器件

图10：Serpentine结构用于软体电子器件

图11：Self-similar结构用于软体电子器件

图12：Spiral结构用于软体电子器件

图13：Arc-shape结构用于软体电子器件

图14：非平面serpentine结构用于软体电子器件

图15：Helix结构用于软体电子器件

图16：Origami结构用于软体电子器件

图17：Karigami结构用于软体电子器件

图18：Textile结构用于软体电子器件

图19：Crack结构用于软体电子器件

图20：Interlock结构用于软体电子器件

文献链接: Materials and Structures toward Soft Electronics. Adv. Mater. 2018, 1801368. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.201801368)

本文由王春枫课题组供稿，材料牛编辑整理。

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