目前,柔性電子設(shè)備的彎曲、折疊性能正朝著更耐久、曲率更小的方向發(fā)展,其中柔性電路不可避免地處于動(dòng)態(tài)形變的工作環(huán)境中。傳統(tǒng)剛性導(dǎo)電材料(例如Cu,Ag,ITO)往往易發(fā)生斷裂導(dǎo)致材料電性能下降。近年來(lái),研究人員采用兼具“流動(dòng)性”與“高導(dǎo)電”的鎵基液態(tài)金屬顆粒(LMPs)制備柔性電路來(lái)替代剛性導(dǎo)電材料。然而已有關(guān)于LMPs的研究仍存在以下挑戰(zhàn):(1)LMPs表面存在三氧化二鎵(Ga2O3)半導(dǎo)體層,制備的電路需要通過外加燒結(jié)來(lái)形成導(dǎo)電通路;(2)燒結(jié)的電路周圍存在未活化LMPs,讓電路存在短路的風(fēng)險(xiǎn)。因此,克服鎵基液態(tài)金屬顆粒表面電惰性,制備可實(shí)時(shí)自修復(fù)的柔性電路,對(duì)保證柔性電子設(shè)備在動(dòng)態(tài)下穩(wěn)定和長(zhǎng)期使用有著重要的意義。
針對(duì)上述問題,華南理工大學(xué)劉嵐教授課題組通過原位化學(xué)鍍方法,將納米銀包覆在LMPs的表面,成功制備了無(wú)需外加燒結(jié)就具有優(yōu)異初始電導(dǎo)率的“核-殼”導(dǎo)電顆粒(Ag@LMPs)。這種顆粒在彎折或機(jī)械破壞時(shí),因外層銀殼的破裂而釋放低模量的液態(tài)金屬,保持導(dǎo)電通路實(shí)時(shí)連接。正因以上優(yōu)勢(shì),通過絲網(wǎng)印刷制得的電路具有出色的穩(wěn)定性和耐用性(在0.5mm的彎曲半徑下進(jìn)行10000次彎曲后,R/R0<1.65)。
圖1 (a)Ag@LMPs的制備流程;(b)Ag@LMPs的形貌和粒徑分布;(c)透射電鏡與EDS元素分布圖
這項(xiàng)工作通過在液態(tài)金屬表面進(jìn)行原位化學(xué)鍍納米銀(圖1a),成功將銀包覆在液態(tài)金屬表面,得到了核-殼結(jié)構(gòu)的Ag@LMPs。其粒徑約分布在1.5 μm左右(圖1b)。透射電鏡(TEM)與EDS元素分析也進(jìn)一步證明核-殼的組分(圖1c)。
圖2 (a)銀含量對(duì)Ag@LMPs的紫外-可見光結(jié)果的影響;(b)銀含量對(duì)Ag@LMPs的銀殼厚度與初始導(dǎo)電性能的影響;(c)粒子具有耐酸堿能力;(d)銀含量對(duì)Ag@LMPs形貌的影響
外殼納米銀層的厚度是影響核-殼粒子結(jié)構(gòu)與性能的重要因素。圖2研究了銀含量對(duì)Ag@LMPs的殼厚度與初始導(dǎo)電性的影響。結(jié)果表明,隨著銀含量增加,納米銀殼厚度逐漸增加,相應(yīng)的初始電導(dǎo)率也提升。隨后將Ag@LMPs通過絲網(wǎng)印刷制備了柔性可折疊電路A-circuit(圖3a-b),表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐用性(如圖4b-e)。由于液態(tài)金屬在受力時(shí)會(huì)溢出,可實(shí)現(xiàn)柔性電路的實(shí)時(shí)自修復(fù)。(如圖4f-j)
圖3 Ag@LMPs電路的制備與圖案化
圖4 (b-e)A-circuit在折疊時(shí)的電性能穩(wěn)定性;(f)A-circuit的實(shí)時(shí)自修復(fù)性能;(g-j)液態(tài)金屬受力溢出的EDS元素分布
在應(yīng)用方面,Ag@LMPs制備的柔性電路能夠用在NFC標(biāo)簽,柔性排線、可直寫電路等方面,表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能;因此,在柔性電子設(shè)備展現(xiàn)出很好的應(yīng)用潛力。
圖5 Ag@LMPs的應(yīng)用(a-c)柔性NFC;(d-f)柔性排線;(g-i)可直寫電路
相關(guān)成果以“A Novel Conductive Core–Shell Particle Based on Liquid Metal for Fabricating Real‐Time Self‐Repairing Flexible Circuits”為題發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上,第一作者為華南理工大學(xué)碩士生鄭榮敏,通訊作者為劉嵐教授。該研究獲得廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào):201904020034)的資助。
論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910524
- 東南大學(xué)張久洋教授課題組 Adv. Mater.:基于無(wú)機(jī)硅網(wǎng)絡(luò)界面交換的液態(tài)金屬油墨 2025-06-20
- 東華大學(xué)王宏志教授、侯成義教授 Mater. Today:本征導(dǎo)電固液雙相液態(tài)金屬導(dǎo)體 - 助力多層可拉伸電子器件 2025-06-11
- 華南師大張振 Small:纖維素納米晶穩(wěn)定液態(tài)金屬Pickering乳液用作光熱、導(dǎo)電直寫墨水 2025-04-25
- UCLA賀曦敏教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》:基于數(shù)字光處理投影光刻的液態(tài)金屬印刷技術(shù)制備高導(dǎo)電可拉伸柔性電路 2024-01-02
- 清華大學(xué)徐軍課題組《Mater. Horiz.》: 熱-紫外調(diào)控的動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián)彈性體用于光刻轉(zhuǎn)印柔性電路 2022-10-13
- 中科院納米能源所王中林院士、潘曹峰研究員 ACS Nano:面向閉環(huán)系統(tǒng)的電子皮膚 2019-10-23
- 江蘇海洋大學(xué)李成杰團(tuán)隊(duì) ACS AMI:可重加工自修復(fù)的橡膠基導(dǎo)熱界面材料用于熱管理 2025-07-20