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高延展性柔性电子零件非屈曲结构划设想计与运

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高延展性柔性电子零件非屈曲结构划设想计与运

近日,中科院力学研究所柔性结构与器件课题组与美国伊利诺伊大学香槟分校及美国西北大学等学校的科研人员合作,另辟蹊径地提出了可延展柔性电子器件非屈曲结构设计,即将导线的厚度增大到与宽度同一量级,其延展性大大提高,优化值可达350%,是目前薄膜结构达到的最大值的近6倍。同时,由于导线厚度的增加,其电阻大大减小,为电子器件提供了良好的电学性能和热学性能。该成果近日被《先进材料》接收。

无机柔性电子器件仍然采用硅和金属为材料体系,以柔性基体代替传统电子器件的刚性基体,同时加之可延展力学结构设计,使得电子器件在发生整体变形的情况下,器件内部的硅和金属材料仍然不被破坏,从而实现了电子器件的可变形能力。柔性电子器件在服役过程中往往要与任意不可展曲面动态贴合,所以,其可延展能力至关重要。

在“973”计划“材料介观性能表征”与该校“985工程”科技创新平台建设项目的联合支持下,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室孙军课题组针对目前广泛用于柔性电路板上的金属Cu薄膜/聚酰亚胺系统,在微拉力机上进行试样拉伸的同时,测得了金属Cu薄膜微裂纹密度和宏观电阻性能随拉伸应变的连续演变过程,并分别确定了金属薄膜变性损伤萌生的临界应变值,即薄膜的延性。这一进展对目前已大量应用于深亚微米集成电路和微机电系统的金属薄膜导线材料的变形延性性能的评价表征具有重要意义。    对金属薄膜导线材料的变形延性性能,迄今尚未有有效的评价表征方法。通过自由膜的单拉伸,可以直接得到薄膜发生变形损伤的临界应变值,但在其制备和变形操作时存在很大困难;由于基板的极大影响,附着膜的本征延性性能得不到准确测量。另一方面,有机电致发光技术是目前全球显示设备制造业的顶尖技术之一,其中大量使用的金属薄膜导线是关键部分。在卷曲变形时,其变形延性性能直接决定其服役性能,尤其是其可靠性,因此,金属薄膜导线变形延性性能的正确表征及其膜厚尺度依赖性问题就成为亟待解决的关键问题之一。    据悉,科研人员对从700纳米到60纳米的系列厚度金属Cu薄膜进行测试分析后得出结论:分别由薄膜表面微裂纹密度统计法和实时电阻检测法测得的Cu薄膜塑性变形损伤的两套临界应变值非常接近,说明上述两种测试方法适用于金属薄膜延性性能的评价表征,并可相互佐证;金属Cu薄膜的临界应变值呈现出极强的尺寸效应,即随薄膜厚度的减小,其延性,即临界应变值单调下降,与屈服强度的变化趋势相反,其原因主要归因于薄膜表面、界面对位错运动的约束作用及其尺寸依赖性。据悉,相关研究内容已发表于最近出版的《应用物理快报》(APL)。

可延展柔性电子器件一般由不可变形的功能元器件和可延展结构组成。过去10年中,柔性电子器件可延展结构设计不断革新,以满足不同的设计要求。这些可延展结构可分为两类:一种是自由结构,可自由变形,延展性大,但不可封装;另一种是粘接结构,变形过程中结构受基体约束,延展性较小。这些结构设计均限制了其实际应用。之前相关设计主要为曲线“薄膜”结构,宽度一般在几十微米,厚度在几百纳米到1~2微米,在整体拉伸变形的情况下,结构发生褶皱变形或侧向屈曲。

可延展柔性电子器件一般由不可变形的功能元器件和可延展结构组成。过去十年中,柔性电子器件可延展结构设计不断革新,以满足不同的设计要求,从一维结构发展到二维和三维结构,从简单的单级结构发展到多级分形结构。这些可延展结构可以分为两类:1)自由结构。其特点是结构与基体不粘接,变形过程中结构不受基体约束,可自由变形,延展性大,但不可封装;2)粘接结构。其特点是结构与基体粘接在一起,变形过程中结构受到基体约束,延展性较小,封装层对其延展性影响不大。实际器件应用中往往要求封装,且不变形的功能元器件需要占用一定的面积分数,实际器件的延展性往往只有百分之十几。所以,柔性电子器件要实际应用,急需研究可封装且延展性大的结构设计。

鉴于其优良的力学、电学和热学性能,此次科研人员提出的非屈曲结构被应用于三种可延展柔性电子器件的研制中:一是可延展LED阵列。其整体拉伸245%后仍能正常工作,且其厚度增加后电阻减小,生成热量也大大减小,与厚度为300纳米的结构相比,其最高温度由200多度降低到80度,展示了良好的热学性能。二是可延展太阳能电池。基于非屈曲结构太阳能电池的变形情况,在整体拉伸应变从0增加到110%的过程中,电池性能稳定不发生变化。三是可用于皮肤电子通讯的可延展柔性天线。

之前的可延展结构设计主要为曲线“薄膜”结构,宽度一般在几十微米,厚度在几百纳米到1~2微米,在整体拉伸变形的情况下,结构发生褶皱变形或侧向屈曲。近日,中国科学院力学研究所柔性结构与器件课题组与美国伊利诺伊大学香槟分校及美国西北大学等学校的科研人员合作,另辟蹊径,提出了非屈曲结构设计,即将导线的厚度增大到与宽度同一量级,数值计算和实验测试均发现其延展性大大提高,优化值可以达到350%,是目前薄膜结构达到的最大值的6倍。同时,由于导线厚度的增加,其电阻大大减小,为电子器件提供了良好的电学性能和热学性能。

(原载于《中国科学报》 2016-12-27 第1版 要闻)

鉴于其优良的力学、电学和热学性能,非屈曲结构被应用于三种可延展柔性电子器件的研制中:1)可延展LED阵列。其拉伸前构型如图3a所示,整体拉伸245%后仍能正常工作。另一方面,相对于薄膜结构,其厚度增加电阻减小,生成热也大大减小,与厚度为300纳米的结构相比,其最高温度由200多度降低到80度,展示了其良好的热学性能。2)可延展太阳能电池。图e展示了基于非屈曲结构的太阳能电池的变形情况,在整体拉伸应变从0增加到110%的过程中,电池性能稳定不发生变化可用于皮肤电子通讯的可延展柔性天线。

该工作相关论文近日已被国际期刊《先进材料》接收(Yewang Su, et al., In-Plane Deformation Mechanics for Highly Stretchable Electronics. Advanced Materials. Accepted)。该研究工作受到了中科院“百人计划”项目和国家自然科学基金面上项目的资助。

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图1 a)与可展曲面贴合,只需可弯曲能力;b)与不可展曲面贴合,必需可延展能力

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图2 a)柔性电子器件常采用的基本曲线结构;b)弹性延展性与可延展结构厚度的关系

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图3 (a, b, c & d)可延展LED阵列;(e & f)可延展太阳能电池。

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