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2021年12月30日
中国科大在柔性电子器件制备研究中取得重要进展

中国科大信息学院赵刚课题组提出了一种结合纳米纤维静电纺丝和液态金属模板印刷的新型柔性电子器件制备技术(图1)。相关工作以“Stencil Printing of Liquid Metal upon Electrospun Nanofibers Enables High-Performance Flexible Electronics”为题发表于最新一期国际期刊《ACS Nano》。

图1.柔性电子器件构造新策略

进入信息时代以来,柔性电子技术取得了飞速的发展,其已经在电子皮肤、软机器人、人机交互、可穿戴设备以及植入式医疗系统等领域展示出巨大的应用潜力。然而,随着物联网的高速发展,简单的柔性电子器件已经不能满足日趋复杂的应用场景,因此多功能与高集成度的柔性电子系统亟待被研究与开发。目前,材料和制造技术仍然是制约柔性电子发展和商业化的主要因素,因为在柔性电子设备的制造过程中,研究人员不仅要考虑其物理、化学和功能特性,还要考虑用户的舒适度和安全性等。同时,日益严峻的环境和能源问题给人类社会的发展也带来了巨大的挑战,电子器件的可回收性、自愈性和可重构性也成为开发人员需要考虑的关键问题。通过传统材料和制造工艺获得的柔性电子器件往往不能同时兼顾上述性能,并且制造过程通常需要昂贵的设备、复杂的步骤、高标准的操作环境和指定的材料特性。受限于这些因素,柔性电子的大规模集成和封装以及多层柔性电子器件的制造仍然是一个棘手的问题。

针对上述挑战,中国科大信息学院赵刚课题组提出了一种简单、快速、绿色化的柔性电子器件制备技术。通过静电纺丝技术获得热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维膜作为柔性基底,然后利用模板印刷在基底膜上构造液态金属(LM)图案化电路(图1)。此外,可以通过逐层组装的策略来参数化制备柔性电路、电阻器、电容器、电感器及它们的复合器件。该方案制备的柔性电子器件具有优异的可拉伸性、透气性和稳定性,同时它们是多层和可重构的。研究人员演示了该策略的广泛应用前景例如:柔性显示器、柔性应变传感器、柔性触觉传感器(图2),柔性NFC通讯设备等,最后他们还演示了柔性电子设备的回收和重构这一绿色化方案(图3)。这种新颖的制造策略将对柔性电子产品的开发和商业化产生积极影响。

图2. 柔性电子器件应用实例:超级可拉伸纤维、柔性显示屏、触觉传感器等

图3.柔性电子器件的回收与重构

中国科大信息学院博士生王蒙和马超为该论文的并列第一作者,赵刚教授为该文章通讯作者。

该项研究得到了国家重点研发计划、中国科学技术大学探索类基金项目的支持。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05762


(信息科学技术学院、科研部)

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