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南京大學(xué)陸延青教授和孔德圣教授團(tuán)隊(duì) Nano Lett.：基于銀納米線/液態(tài)金屬超高拉伸電學(xué)自愈合導(dǎo)體
2023-12-09  來源：高分子科技

  針對(duì)蓬勃發(fā)展柔性可拉伸電子的實(shí)際需求，可拉伸導(dǎo)體在近年來得到了廣泛的研究，其中最常見的是基于導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)和彈性體的復(fù)合材料。雖然這類導(dǎo)體材料具有一定的機(jī)械拉伸性，但經(jīng)過反復(fù)拉伸或劇烈的外力作用，復(fù)合導(dǎo)體容易產(chǎn)生微裂紋，從而導(dǎo)致電學(xué)性能不穩(wěn)定甚至失效。受生物系統(tǒng)存在的自修復(fù)機(jī)制啟發(fā)，液態(tài)金屬微膠囊已經(jīng)被用于電學(xué)自修復(fù)導(dǎo)體中，主要利用液態(tài)金屬微膠囊的破碎來實(shí)現(xiàn)電學(xué)自愈合，但由于缺乏合適的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前報(bào)道的相關(guān)文獻(xiàn)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高拉伸低電阻變化和經(jīng)過多次形變的電學(xué)愈合性能穩(wěn)定。


  針對(duì)以上問題，近日，南京大學(xué)陸延青教授和孔德圣教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于銀納米線和液態(tài)金屬微膠囊的電學(xué)自修復(fù)導(dǎo)體，制備的導(dǎo)體具有較低的方阻（0.14 Ω/sq）, 在超大形變（單軸拉伸1000%和雙軸拉伸800%）的作用下，依舊具有較低的電阻變化，并具有廣域的電學(xué)自修復(fù)能力。該導(dǎo)體采用雙層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上層的銀納米線復(fù)合電極提供整個(gè)復(fù)合導(dǎo)體優(yōu)異的初始導(dǎo)電性（圖1d），下層為絕緣的液態(tài)金屬微膠囊愈合層（圖1e）。如圖2a所示，由于液態(tài)金屬微膠囊和銀納米線導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)之間存在強(qiáng)烈的力學(xué)相互作用，當(dāng)銀納米線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生裂紋時(shí)，被裂紋的尖端應(yīng)力場(chǎng)會(huì)撕裂液態(tài)金屬微膠囊，釋放出液態(tài)金屬修復(fù)了破碎的銀納米線導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從圖2b的光學(xué)照片可以清晰地看到在裂紋處釋放出了大量的液態(tài)金屬，連接了破碎的銀納米線網(wǎng)絡(luò)，起到愈合的效果，從而使拉伸過程中電阻變化相對(duì)較小。并通過微觀表征，可以看到在拉伸過程中，裂紋處釋放的液態(tài)金屬橋接了破碎的銀納米線網(wǎng)絡(luò)，并且在回復(fù)過程中液態(tài)金屬仍然位于裂紋處，而沒有發(fā)生泄露的現(xiàn)象（圖2e）。 


圖1. 自愈合導(dǎo)體的設(shè)計(jì)與制備 


圖2. 超高拉伸自愈合導(dǎo)體的愈合機(jī)理以及電學(xué)愈合性能


圖3. 銀納米沉積量和不同拉伸幅度對(duì)自愈合導(dǎo)體的影響


圖4. 基于自愈合導(dǎo)體在可穿戴多功能電子貼片的應(yīng)用


圖5. 自愈合導(dǎo)體的雙軸拉伸電學(xué)愈合性能以及應(yīng)用研究


  綜上所述，由于液態(tài)金屬微膠囊表面鈍化的氧化層會(huì)阻礙電子傳輸，需要在大形變或者遭受極端外力破壞才可以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而針對(duì)純銀納米線復(fù)合電極，在拉伸過程中，由于銀納米線網(wǎng)絡(luò)的碎裂從而使電阻急劇上升。為此，利用液態(tài)金屬膜層上構(gòu)筑銀納米線復(fù)合電極，由于兩者具有強(qiáng)烈的力學(xué)耦合作用，在銀納米線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生微裂紋時(shí)，微裂紋的尖端應(yīng)力場(chǎng)撕裂液態(tài)金屬微膠囊，在裂紋處選擇性的釋放液態(tài)金屬，橋接了破碎的銀納米線網(wǎng)絡(luò)，起到了電學(xué)自愈合效果。這樣的通用設(shè)計(jì)方法顯著提高了導(dǎo)體的拉伸電學(xué)變化和愈合效果，在柔性可拉伸電子器件具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)工作以“Ultrastretchable Electrically Self-Healing Conductors Based on Silver Nanowire/Liquid Metal Microcapsule Nanocomposites”為題發(fā)表在Nano Letters上，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生林勇為第一作者，通訊作者為陸延青教授和孔德圣教授。


  原文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c03670

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（責(zé)任編輯：xu）
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