Your Location:

我系郭传飞和力学系洪伟教授等提出无褶皱柔性电子设计新思路

Publish:2019-07-11 10:12:00

柔性电子技术曾被《科学》杂志评为十大科技进展之一,它正悄无声息地融入日常生活的方方面面,并将彻底改变人类的未来。柔性电极和柔性电子器件通常由硬-软双层或多层结构组成。然而,硬-软结构在变形过程中极易发生失稳,其中最为常见的形式是表面褶皱。通常起皱所需的临界应变非常小,可以简单认为硬膜-软基体系一旦受到挤压就会生长褶皱。连绵的山川、皮肤表面的皱纹、瓜果表面的纹理均被认为是硬-软结构失稳所致。柔性透明极是柔性光电子器件中的核心部分,如果其表面生长褶皱,将会造成粗糙度的迅速上升和透射率的急剧下降。因此发展抗褶皱的柔性透明电极和相关器件对柔性电子技术有重要意义。

1.jpg

1、泊松比对双层结构起皱行为的影响示意图

近日,南方科技大学材料科学与工程系郭传飞副教授、力学与航空航天系洪伟教授、休斯顿大学任志锋教授、哈佛大学锁志刚教授等人合作发现:如果双层体系中硬膜(例如柔性电极的金属导电层)的等效泊松比超过一个临界值,那么该双层结构在单向拉伸、单向压缩、或者贴附在预拉伸的衬底上释放后均不会生长褶皱。研究发现在形变量很小的情况下,这个临界值约为2——当导电层的泊松比大于2时,柔性透明电极在拉伸或者压缩时都不生长褶皱。然而,一般均质固体材料的泊松比都不超过0.5,因此普通的金属膜-高弹体体系都极易起皱。但许多镂空网络结构的等效泊松比却有可能大于2。同时,网络结构还具有较高的可拉伸性,可以被用作柔性透明电极。不过当拉伸量很大时,金属网络中也会萌生裂纹,使得泊松比降低,导致褶皱,实验中也观察到了褶皱和裂纹的伴生现象。研究结果说明:只有柔性电极或器件同时具有良好的可拉伸性和很大的有效泊松比时,这种抗皱机制才可以被发挥出来。

22.jpg

2、泊松效应对柔性电极和柔性电子器件光学及电学性能的影响 

团队还发现,某些网络结构的有效泊松比随着应变的增大而增大,在应变较小时泊松比还达不到抑制褶皱的临界值;但随着应变增大,其等效泊松可能超过临界值。研究预测并观察到了这种结构的反常褶皱现象:当变形较小时,电极中出现了褶皱;而随着变形的增大,褶皱反而消失了!

33.jpg

 

3、几种网络结构的有效泊松比,以及一种反常褶皱生长行为的实验结果 

需要指出的是,本研究中提出的采用大泊松效应来抑制褶皱生长的思路具有普适性,它并不局限于某种特殊材料。除了各种柔性电子器件中的应用外,它还可能在其他工程应用中的硬-软双层或多层结构中被用来抑制或消除褶皱。本项目的第一作者是南方科技大学郭传飞课题组博士生王燕;另外一位重要作者是哈佛大学刘綦涵博士,目前他在匹兹堡大学担任助理教授。该工作目前在线发表于材料领域著名期刊 Advanced Materials上(链接地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902955)。本研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市基础研究学科布局和广东省“珠江人才计划”创新创业团队的支持。