柔性电子

纳米科学与添加剂制造技术的交叉，催生了印刷电子和柔性电子的新领域。这一有趣的研究领域解决了新型材料和制造技术向更广泛和改进设计的柔性电子器件发展的挑战。本工作介绍了利用3D打印碳纳米管基纳米复合材料制备一种低成本、简易的柔性压阻式压力传感器。用于材料开发的碳纳米管是分散在聚二甲基硅氧烷( PDMS )预聚体中的多壁碳纳米管( MWCNT )。传感器采用直接油墨写入( DIW )技术(又称robocast )制作。将MWCNT - PDMS复合材料直接印制在聚二甲基硅氧烷基片上。然后根据传感器对负载的电阻变化来检测传感器的响应。该传感器在较宽的压力范围内(最高可达1132 k Pa )表现出较高的灵敏度( 6.3Ω / k Pa )，前期工作对MWCNT- PDMS复合材料的最高观测测量范围为40 k Pa。所制备的MWCNT- PDMS复合材料也被印制成高分辨率的三维形状，即使经过热处理仍然保持其形态。3D打印在柔性传感器制造中的可能性使得设计自由灵活，结构复杂，在运动、汽车和生物医学等领域的可穿戴或植入式电子中得到广泛应用。

采用超音速团束沉积( SCBD )技术将金纳米颗粒沉积到聚二甲基硅氧烷( PDMS )上，然后飞秒( fs )激光加工，制备了柔性微电极。金纳米粒子在PDMS中的SCBD形成了类似于弹性体基底的力学性能的纳米复合薄膜。电中性金属纳米粒子穿透聚合物基体，随机分布到几百纳米的深度，形成欧姆导电通路。在软基底上进行高分辨率的图形化是飞秒激光烧蚀热损伤相对很小的微米线所克服的一大挑战。制备了宽度为3   μ m的微电极。100   nm厚膜的印刷线材电阻为480 Ohm / square，200   nm厚膜的印刷线材电阻为210 Ohm / square。计算得到的薄膜平均电阻率为2.5 ~ 2.6mΩ · cm，比物理气相沉积金的平均电阻率高3个数量级，不适合用于大电流互连，但足以用于低电流信号传输，如用于电学和电化学生物传感器。

文摘制备了不同孔隙率的多孔聚二甲基硅氧烷( p- PDMS )，并对其热性能进行了测试。还给出了应用渐近均匀化方法的理论预测。实验结果与理论结果吻合较好。研究表明，p- PDMS的热性能随孔隙率变化明显，而与孔径几乎无关。提出了导热系数与孔隙率的拟合公式。对温度引起的扰动也进行了实验研究。这里给出的结果为基于p- PDMS的柔性电子的进一步热分析和结构优化做了准备。

本工作中，我们对弹性体基底上沉积的Au / Ti薄膜，如聚二甲基硅氧烷( PDMS )与Kapton®上的样品进行了力学分析，沉积后的金属通过超短( 270飞秒)脉冲激光烧蚀进行了图形化。与先前演示的长脉冲激光图形相比，减少了对基板的热损伤，减少了热影响区。厚弹性体金属化过程中的一个主要问题是金属薄膜在金属化过程中形成皱纹并伴随脆性裂纹，恶化金属线的性能和可靠性。在聚酰亚胺上没有观察到这种开裂现象。用金属-弹性体系统的应力分析研究了裂纹的形成，假设当金属膜中的应力超过某一临界值时就会出现裂纹。提出了多层多材料叠层系统的一般力学模型和分析，并将其应用于PDMS上Au / Ti的特殊情况。利用该模型，已经考察了金属薄膜中应力发展的根本原因。采用Sylgard 184，Dow Corning PDMS制成的各种弹性体基底制备了一系列样品。在单体与交联剂质量比为1：2 ~ 1：19范围内，采用不同的单体/交联剂比例制备了一系列样品。利用薄膜应力分析，计算了不同层之间和层内的内应力。根据计算结果，可以估算金属薄膜中的比应力。利用这个值，我们可以选择合适的具体材料，不会超过它们的临界破坏应力。通过光学显微镜和扫描电子显微镜( SEM )二次电子( SE )图像的失效分析，验证了这一假设。我们在这里报告了力学分析预测与各种样品完整性之间的良好相关性。

三维( 3D )结构的符合靶器官或组织轮廓的软电子器件是生物医学器件稳定植入的首选。然而，沉积在软材料上的金属图案，特别是聚二甲基硅氧烷( PDMS )，会在基底膨胀后产生微裂纹或断开。一种生成三维结构软器件的方法是将流体注入由PDMS和Parylene层组成的选择性粘结二维结构的无粘结区域。这项工作概述了3D软生物电子器件的发展，包括优化的制造工艺，以稳定的金属图案，即使是通过流体注入的基板扩张。在选择性键合过程中，等离子掩膜的溅射材料和溅射金属下面使用的中间丙烯层的厚度显著影响金属图形裂纹的产生。选用射频溅射钛掩模，在基于PDMS基底的中间Parylene层上制作无裂纹金属图案。此外，通过有限元分析，优化了注液后中间Parylene层的厚度，得到了稳定完整的金属型。研制的软生物电子器件成功地演示了作为袖带电极在体内记录和刺激周围神经的能力。本研究开发的优化工艺不仅使软3D电子器件适用于具有3D曲率的内脏器官或组织，而且为利用光刻、金属溅射等传统微细加工工艺在软可膨胀基底上制备柔性电子提供了一种很有前景的方法。

多功能复合柔性传感器是柔性和可伸展电子的重要组成部分。在这篇文章中，我们提出了新颖的贻贝启发的Janus结构彩色电影作为视觉灵活的电子。采用分层组装的方法制备了由导电碳纳米管( CNT )层、支撑聚二甲基硅氧烷( PDMS )层和二维胶体晶体( 2D-CCs )形成的结构色层组成的三层结构Janus复合膜。所制备的多层CNT薄膜和2D-CCs分别通过自组装工艺和聚多巴胺( PDA )的粘附作用集成在支撑PDMS层的两侧，为Janus复合膜提供相应的优良导电性、柔韧性和视觉光学传感。说明CNT薄膜不仅可以作为其在宽带频率场中的光吸收特性，增强2D- CC阵列结构颜色的对比度，而且可以赋予具有光热响应特性的复合薄膜。此外，由于具有优异的电学性能、可视化的结构颜色和光热响应，得到的Janus结构色膜在人体运动和近红外( NIR )光照引起的形变下表现出稳定的电学传感和可视化的颜色传感，在柔性和可伸展的电子领域具有重要作用。