柔性电子领域蓬勃发展，已经在诸如人机交互、电子皮肤和智能可穿戴设备等领域展现巨大应用前景。在实际应用场合中，柔性器件内部材料往往需要承受各种类型的应变，极易出现功能退化甚至器件失效。因此，如何通过合理的结构设计和材料优化，使器件在大的应变条件下，仍然保持性能稳定（也称作应变耐受度，strain tolerance），是柔性电子领域的关键问题。目前，柔性电子器件的设计准则主要包括减薄器件基底和增强界面粘附两个方面。结合一些新兴的结构方案，比如蜿蜒形状、褶皱形状和剪纸技术等，器件的应变耐受度获得了很大的提升，在一些涉及大变形的应用场景体现更先进的应用示范。
近日，香港理工大学郑子剑教授与朱叶教授合作在国际期刊ACS Nano上发表题为“Elasto-Plastic Design of Ultrathin Interlayer for Enhancing Strain Tolerance of Flexible Electronics”的研究论文。作者研究了多层薄膜器件在弯折时，中间薄层材料的弹塑性属性对顶层材料的变形行为的影响规律，并发现当中间层材料同时具有高杨氏模量和高屈服应变（材料进入塑性区域时的应变）时，顶层材料在变形时所承受的实际应变会大大降低，其在变形过程中的功能退化行为受到抑制，从而保持更好的器件稳定性。该发现为优化柔性电子器件界面设计、进一步提升器件的整体应变耐受度提供了新的思路。值得一提的是，文中所提出的设计准则前述的两大准则（即减薄基底和增强粘附）是互不依赖的，故可以并行使用，以最大限度提升器件应变耐受度。
图1. 提升柔性器件应变耐受度的通用准则及本文的新准则。
如图1a所示，完整的柔性器件可简化为由塑料基底及其之上的刚性器件（或薄膜）组成，当施加拉伸应变时（比如弯折），顶部材料容易因应力集中、弹性不匹配等原因出现局部损伤（比如裂纹，塑性变形等），导致器件性能失效。图1b，c分别展示了目前的提升器件应变耐受度的结构设计准则，即减薄基底和增强界面粘附。图1d是本文所提出的新准则，即在顶部器件和底部基底之间嵌入一层具有高杨氏模量和高屈服应变的超薄中间层，即可大大降低顶部材料的实际应变，进而提升器件的整体应变耐受度。
图2. 中间层材料弹塑性属性对顶部材料变形行为的影响规律
为了证实新准则的正确性，作者先从理论的角度对其进行了验证。图2是理论模型的示意图，通过遍历中间层材料的杨氏模量（E）和屈服应变（εY），逐一考察顶部材料的归一化应变
大小。随着E的增加和εY的增加，逐渐减小，由1到0.52，证明了新准则的正确性，也表明当高杨氏模量和高屈服应变的薄膜材料嵌入器件与基底之间时，器件的整体应变耐受度会提升。
随后，作者通过实验进一步验证新准则的正确性。为此，作者准备了具有不同中间层材料的样品，包括参考样（样品i，无中间层）、PMMA（样品ii）、Cr（样品iii）和由课题组自主开发的聚合物辅助金属无电电镀（PAMD）方法制备的三维纳米聚合物-金属网状织构（样品iv）。这些样品的中间层材料在弹塑性属性上具有显著差异，他们的理论值如表1所示。通过实验发现，具有更低值的样品（比如样品iv）在裂纹行为及导电稳定性都表现出众，其他样品的实验规律也符合预期，证实了新准则的正确性。
图3.不同中间层材料、相同顶层材料（Cu）样品的应变耐受度检验
表1. 不同样品的特征数据
最后，作者通过一个简单的电致发光器件，证实了新准则在柔性器件应用中的效果。如图4所示，作者为了验证新准则的正确性，人为地将器件弯折到约0.5 mm，以观察在器件电极层上的裂纹。遵循新准则的器件具有更少的裂纹（左），并同时具有更高的发光强度（中上），在循环测试中也更加稳定（中下），证实了准则的实用性。基于这样的准则，发光器件可在不同的变形条件（正/负弯折及扭曲等）下保持稳定（右）。
图4. 简单的电致发光柔性器件证实新准则的实用性
柔性电子器件的应变耐受度是关系器件性能稳定，使用寿命等诸多实际问题的关键，本文作者发现了中间层材料的弹塑性属性可以影响顶层材料的变形规律，并以此为基础，提出名为超薄中间层材料的弹塑性设计准则，即通过嵌入超薄的具有高杨氏模量和屈服应变的中间层材料，可以大大提升顶部材料的应变耐受度，与之前的典型准则（减薄基底、增加界面粘附）互不依赖，为解决柔性电子器件应变耐受度问题提供了新的思路。
香港理工大学时装与纺织学院（SFT），先进界面材料与器件实验室博士后胡鸿为论文的第一作者，香港理工大应用生物与化学技术系（ABCT）、智慧能源研究院、智能可穿戴研究院郑子剑教授为论文的通讯作者，论文的重要合作者还包括香港理工大学应用物理系（AP）郭昫昀博士后和朱叶助理教授，论文得到香港RGC高级研究员计划（SRFS2122-5S04）以及香港理工大学（1-ZVQM和1-CD44）的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c12269
图文转载自【中国聚合物网】:http://www.polymer.cn/