Adv. Funct. Mater. 刚度可调的丝素蛋白用于实现高弹性柔性电子器件的转移

【引言】

近年来，可伸缩柔性电子技术受到了研究者的广泛重视。透明柔性电极在表皮电子，植入式电子，可穿戴设备和软体机器人等领域有着广泛的应用。在电子工业中，将电子器件从一种基底转移到另一种基底是一个关键的过程。传统的键合工艺对于刚性电子材料或器件的传输很有效；但是对于柔性可拉伸电子器件并不适用。柔性电子器件的转移通常包括两个步骤：首先将需要转移的电子器件印章压在目标基板上，然后将电子器件从原来的基底上剥离。这个过程往往要求电子器件印章与目标基板具有很强的附着力，才能保证电子器件完全剥离。然而，在坚硬的界面施加一个大应力可能会超过剥离时电子器件的拉伸极限。只有当被转移的电子器件厚实而坚固时，才能实现成功地转移。然而，超薄精细的电子器件很容易在转移的过程产生机械损伤而影响器件性能。因此，如何避免在可拉伸电子器件的转移过程中软压模中的机械损伤仍然是一个难题。此外，将可拉伸性电子器件转移到非平面或纹理表面也是一个很大的挑战。

【研究简介】

近日，南方科技大学郭传飞团队联合华中科技大学吴志刚在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇题目为“Tuning the Rigidity of Silk Fibroin for the Transfer of Highly Stretchable Electronics”的文章。该研究采用弹簧状金纳米网作为可拉伸导体，丝素蛋白加钙离子作为压印和接收基板。在转移过程中，当从供体基质上剥离金纳米网络时，丝素蛋白被调整为刚性，剥离后，丝素蛋白被调至高度柔软。实验证明，刚性丝素蛋白能够完全保证转移的金纳米网络而不受任何损伤，而软化后的丝素蛋白/金纳米网络电极又能够稳定地贴在皮肤上。

【图文简介】

图1 电子器件的转移

a-b）分别使用软印章和硬印章转移超薄电子器件的示意图；

c）从PDMS基底上剥离丝素蛋白时，应变是弹性模量的函数，剥离角固定为≈30°。

图2高延展性金纳米网络电极的转移

a）利用丝素蛋白转移波浪状金纳米网络电极的示意图；

b）波状金纳米网络电极的扫描电镜图像；

c）随预应变和不预应变时，电阻与应变的变化关系；

d）超过100 k次施应变/释应变循环的标准化电阻；

e-f）用模量分别为134 kPa和1.84 GPa的丝素蛋白基底剥离预应变金纳米网络电极的形貌；g）转移后的金纳米网络电极的归一化电阻随应变的变化；

h）丝金纳米网络电极的扫描电镜图像。

图3 可拉伸电极的转移机理

a） 剥离时丝素蛋白基板产生的应变与其杨氏模量的关系，剥离角为0°，30°，60°和90°；

b）丝素蛋白在不同相对湿度下的杨氏模量变化曲线图。

图4 丝表皮电极的电学和机械稳定性

a-b）显示硬丝/皮肤和软丝/皮肤界面的示意图；

c）丝和皮肤复制品之间界面的扫描电镜图像；

d）丝电极在皮肤上的光学图像，显示丝电极与皮肤纹理吻合良好；

e）丝电极与人手皮肤的最大粘附强度可达60 N m^-1；

f）丝表皮电极，处于挤压、扭曲和拉伸的不同机械状态；

g）丝与金膜、银纳米线（AgNW）电极和金纳米网格电极叠层在皮肤上的照片；

h-i）分别在反复皮肤拉伸和皮肤挤压下，丝表皮电极电阻的标准化变化。

图5 丝表皮电极的皮肤电子学

a）丝表皮电极与Ag-AgCl凝胶电极的皮肤界面阻抗谱研究；

b）利用丝表皮电极和Ag-AgCl凝胶电极实现肌电信号，插图为不同电极采集到的信号的噪声强度对比；

c）丝表皮电极贴至人手皮肤上的照片；

d）取丝表皮电极贴附10天且移除电极后的手皮肤照片，说明对皮肤无害。

【小结】

综上所述，作者介绍了一种使用一种刚度可调节的丝素蛋白基板来转移高度可拉伸和超薄的电子的方法。丝素蛋白的硬度可以改变四个数量级，从≈100 kPa（很好地匹配人类皮肤的硬度）到≈1 GPa。硬丝素蛋白首先用于安全地从供者基底上剥离可伸展电极，然后软化，在人体皮肤上形成适形层压。这种丝电极在皮肤上层压10天后不会引起皮肤刺激。该研究还证明，与商用Ag-AgCl凝胶电极相比，该电极具有更小的EMG信号噪声水平。该工作为转移高度可拉伸微电子集成到人体和其他非平面表面提供了一种新的策略。

文献链接：Tuning the Rigidity of Silk Fibroin for the Transfer of Highly Stretchable Electronics, Adv. Funct. Mater. , 2020, DOI: 10.1002/adfm.202001518.