自组装液态金属共形薄膜的制备与导电性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhengjiaxun2010
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柔性电子的共形研究,特别是在非可展曲面的共形能够促进电子信息技术的迭代发展。目前,性能稳定的柔性共形电子器件在实际应用中还存在一定的限制,如柔性高分子材料的导电率低导致器件的性能不佳、柔性复合材料的杨氏模量不匹配导致器件在拉伸形变下分离失效,特别是柔性电子器件的共形效果尚需提升。故而其主要的突破口就在于择优选取能满足形变下保持高导电率的柔性材料与具有良好共形效果的共形转移工艺。液态金属能够满足柔性电子器件的高性能需求,是当下柔性电子学研究的热点材料。目前对液态金属在曲面共形上的研究,特别是具有良好共形效果的水转印技术在液态金属材料上的应用尚待进一步发掘,同时传统的水转印方法难以避免承印失配、水溶性材料成分残留问题。通过在水相上以自组装方法构建水转印技术所需的液态金属自支撑薄膜有望实现柔性电子在曲面的良好共形,规避传统水转印方法的局限,具有巨大的应用潜力。但目前对自组装液态金属颗粒的具体组装、后续水转印液态金属共形机理尚不清晰,对组装薄膜的形貌、形变下薄膜的电学性能演化规律尚不明确。故而,本论文对自组装液态金属颗粒薄膜的制备、形变下的导电性能与共形转移进行了深入探究,主要研究成果如下:(1)发展了液态金属颗粒薄膜的组装方法,优化了成膜的方案。从自组装液态金属颗粒的机理、颗粒受力状态、成膜主要因素着手,改进了成膜的方法选择。验证了自组装过程中铺展溶剂的互溶与挥发影响颗粒的运动和聚集组装,分析了表面张力是影响颗粒自组装的主要因素。(2)掌握了自组装液态金属薄膜在形变下的电学性能演化规律。获得了具有优异的电学稳定性的自组装液态金属薄膜,其在300%下的拉伸形变下仍能正常工作。该单层薄膜在完成初始导电激活后,内核的液态金属会在拉伸、弯曲等形变下流出,形成新的导电通路,维持电学性能的稳定性,在50%应变循环下相对电阻变化仅为11%。双层薄膜的构建对液态金属的功能化提供了新的解决思路,有望实现液态金属的磁性功能化。(3)掌握了良好共形的机理并分析了自组装液态金属薄膜的共形性能。详细论述了良好共形的机理在于液态金属的高流动性、水的润湿及高能液体特性能够使液态金属颗粒附着于基底的微结构上,在水分蒸发后颗粒会渗入形成共形的曲面器件,实现良好共形。发挥了水转印自组装液态金属薄膜在多种复杂曲面、曲面图案化以及曲面器件一步成型上的优势,获得的器件在弯曲下最大相对电阻变化仅为19%,具有极高的电学稳定性。同时制备的曲面器件具有高的使用可靠性,薄膜的接触角为120°,使得器件具备了优异的抗冲蚀能力。
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