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具有褶皱结构的可穿戴电子器件的制备及应用
2019-04-29 08:52:47 | 【 【打印】【关闭】

  常见的导电材料本身通常拉伸性较差,难以直接用于可穿戴电子器件。作为自然界常见的结构之一,褶皱结构具有良好的延展性与可变形性,在柔性可穿戴电子器件领域应用广泛。近日,南开大学药物化学生物学国家重点实验室的刘遵峰课题组系统总结了将褶皱结构引入到可穿戴电子器件的方法,并列举了其在各类柔性电子器件的应用。 

  

   本文首先列举了常见的各类纳米导体材料的力学性质以及组装形态,比较了包括二维薄膜导电材料、一维纳米线,以及零维纳米粒子在内的纳米材料用于制备褶皱结构的优势与难点。指出导电层的厚度以及导电层和弹性层的界面作用对褶皱的形貌、延展性和电学性能的循环特性有显著的影响。之后,本文总结了制备褶皱结构的各种方法,包括预拉伸-释放应变、机械压缩、溶剂或热诱导、模版法与3D打印技术等,以及综合使用多种方法形成多级褶皱结构的最新进展。其中预拉伸-释放应变是形成褶皱结构的最常用方法,通过调节预拉伸倍数、预拉伸方向、导电粒子排列与预拉伸方向的关系,可以得到一维、二维、多级褶皱等多种褶皱形貌。

  

   在此基础上,本文概述了褶皱结构在弹性导线、应变传感器、能量采集器、晶体管、功能电极等可穿戴电子器件的应用。提出的褶皱结构的优势主要在以下几个方面:(1)提高可拉伸性,这有助于提高各类电子器件在大拉伸形变下的保持稳定的性能;(2)产生较大比表面积,这有助于提高可穿戴器件与生物界面的亲和力与柔顺性;(3)获得复杂且可控的表面形貌,这有助于提高应变传感器以及压敏传感器的性能;(4)提高与其他微纳米材料更强的吸附作用,这有助于提高各类检测器的灵敏度,在电生理学领域应用非常广泛。

  最后,本文对褶皱结构用于可穿戴柔性电子器件领域进行了展望。认为褶皱结构的理论研究应当更加深入,褶皱结构也可以与其他结构,例如螺旋、折叠等结构混合使用,来提高电子器件的结构设计水平。低成本、高度可控的含有褶皱结构的电子器件的制备方法还有待进一步深入研究。

  该成果在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201804805)上。 

  刘遵峰,南开大学药物化学生物学国家重点实验室研究员,国家“万人计划”青年拔尖人才。主要研究领域为柔性智能材料、可穿戴设备、人工肌肉。累积发表SCI论文50余篇,他引6300余次,其中以第一作者或通讯作者在Science, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等国际学术SCI期刊上发表研究论文20余篇,其中2015年发表在Science上关于褶皱结构的可拉伸弹性导体的文章被美国《Discover Magazine》评选为2015年度全球TOP100重大科学发现。

    文章来源:Materialviews中国网

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