可降解瞬态导电复合材料的加速自烧结机制及器件应用

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可降解瞬态电子器件是集成电路后摩尔时代“超越摩尔定律”的一种新型电子器件,其最主要的特点是器件在一个可控或可预期的工作周期后,其材料组成或器件功能可以以物理解体或化学反应的方式发生部分降解或完全降解,因而在生物医学工程、硬件安全、绿色电子等领域具有广泛的应用前景。可降解瞬态电子器件的制备主要基于生物可兼容、生物可降解无机材料和有机材料。其中,生物可降解有机材料对温度、湿度、有机溶剂等具有较强的敏感性,导致利用传统微纳加工工艺制备可降解瞬态电子器件具有重大挑战。基于印刷电子技术的可降解导电复合材料为可降解瞬态电子器件的制备提供了一个低成本、高效率、大规模制备的方案。近年来,研究者们付出不懈的努力以开发高导电、安全、可靠的可降解导电复合材料,并提出各种烧结方法使材料的导电性得到了极大的提升,并应用于可降解瞬态印刷电路。然而,现有的可降解导电复合材料的制备及其实际应用还存在着诸多局限,比如,具有潜在危害的有机溶剂的引入、复杂的烧结增强工艺、单一瞬态失效机制等。针对上述本研究领域现存的重要挑战,本文提出了一种制备高电导率可降解钼/蜡导电复合材料的方法,系统研究了可降解钼/蜡导电复合材料的自烧结、加速自烧结现象,阐明了加速自烧结机制,最终研制出具有生物可降解、有机溶剂降解或热触发失效等多模态瞬态功能器件与集成。本文所研制的可降解钼/蜡导电复合材料主要包括以下几个优点和独特的性能:1)提出无溶剂导电复合材料的制备方法;2)首次发现钼/蜡导电复合材料的自烧结行为;3)提出加速自烧结方法提高电导率以及电学稳定性;4)钼/蜡导电复合材料的可修复性质;5)多模态瞬态功能器件与集成的验证。本文通过控制变量的方法,阐明了钼/蜡导电复合材料自烧结行为的内在机制,系统研究了磷酸盐缓冲溶液对钼/蜡导电复合材料电导率提升的正面影响(加速自烧结主导)和负面影响(降解主导)。最终,本文展示了可降解钼/蜡导电复合材料在可再修复电子器件、多模态瞬态功能器件与集成的应用实例,包括电阻式温度传感器、电阻式应力传感器、电容式距离传感器、低通滤波器等。
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