Nano Lett. | 高机械鲁棒性和应变不敏感性的脆性薄膜导体

英文原题： Highly Robust and Strain-Resilient Thin Film Conductors Featuring Brittle Materials

通讯作者： 吴凯，西安交通大学；孙军，西安交通大学

作者： Kai Chen (陈凯), Linyuan Zhang (张林媛), Kai Wu (吴凯)*, Chao Yang (杨超), Ruihong Wang (王瑞红), Canhua Xu (徐灿华), Jinyu Zhang (张金钰), Gang Liu (刘刚), and Jun Sun (孙军)*

近日， 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室吴凯副教授和孙军院士等 在 Nano Letters 上发表了一种新的面外裂纹控制策略，在聚二甲基硅氧烷-液态金属（LM-PDMS）复合基体表面制备了纳米晶金属薄膜（图1），通过合理控制“脆性薄膜致使基体开裂”以及柔性基体内部液态金属颗粒电自修复行为，在金属薄膜导体材料中实现了高的导电性（> 1.3×10 ⁵  S cm ^-1 ）、大的可拉伸性（> 130%）以及高的机械鲁棒性。

图1. LM-PDMS基体与Cu薄膜的制备表征与性能测试。(a) LM-PDMS基体的光学显微照片。(b) 纳米晶Cu薄膜的TKD取向图和反极图。(c) PDMS基体和LM-PDMS基体上Cu薄膜相对电阻变化随拉伸应变的变化曲线。

图2. LM-PDMS基体上Cu薄膜的断裂及电自修复行为。(a) 连续拉伸应变下Cu薄膜表面形貌CLSM图。(b) 2% 应变和 (c) 50% 应变下Cu薄膜SEM图及相应的EDS分析。(d) 50%应变下Cu薄膜截面SEM图。

在小拉伸应变（< 2%）下，纳米晶金属薄膜发生断裂，裂纹沿面内和面外方向快速扩展，裂纹面外扩展诱发柔性基体开裂，激活液态金属颗粒填充薄膜裂纹间隙，形成连续的导电通路（图2），实现了在宽应变范围内应变不敏感的电学性能。同时本文还定量评价了金属薄膜致使柔性基体的开裂行为，证实了该裂纹控制策略在纳米晶金属（铜、银、钼）和透明氧化物（氧化铟锡）等脆性薄膜导体材料中的普适性。金属薄膜导体不但可承受拉伸、弯曲、扭转等多模态变形，而且可抵御划伤、穿孔等严重力学损伤（图3），有效保证了器件的稳定工作。

图3. 高导电性、高机械鲁棒性及应变不敏感性可拉伸导体的实用性。(a) LED灯连接至Cu薄膜基可拉伸导体；(b) 对导体进行切割；(c-d) 对切割后的导体进行冲孔；(e-f) 对切割及冲孔后的导体进行拉伸；(c-f)中的红色阴影表示在LM-PDMS中通过自主电重构形成的半圆柱形导电通路。（上：实物图，下：示意图）

研究人员提出了一种新的面外裂纹控制策略，通过合理控制膜致基体开裂以及液态金属电自修复，获得了具有高导电性、高鲁棒性、应变不敏感性的金属薄膜导体。本文的设计策略可普遍适用于多种脆性薄膜和柔性基体材料，为可拉伸薄膜导体材料的设计提供了新思路。

相关论文发表在 Nano Letters 上， 西安交通大学博士研究生陈凯 为文章的第一作者， 西安交通大学孙军院士 、 吴凯副教授 为文章通讯作者。

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Nano Lett.  2023, ASAP

Publication Date: July 6, 2023

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01781

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