中国科学技术大学赵刚ACSNano：静电纺丝结合丝网印刷构建柔性电子器件
DOI:10./acsnano.1c
柔性电子作为一项新兴技术，在各个领域均显示出巨大的应用潜力。随着物联网时代的到来，开发和部署各种柔性电子系统成为当下的必然趋势。然而，材料和制造技术是制约柔性电子产品发展和商业化的关键因素。本文介绍了一种简单、快速且环保的柔性电子器件制备技术。采用丝网印刷的方法在静电纺丝制备的热塑性聚氨酯膜上修饰液态金属。此外，通过逐层组装，可以参数化制备出柔性电路、电阻器、电容器、电感器及其复合器件。这些器件具有良好的拉伸性、透气性和稳定性，同时它们也是多层且可重构的。经证实，该策略可用于制造柔性显示器、柔性传感器和柔性过滤器。而且，这些柔性电子器件具有可再生性和可重构性。
图1.柔性电子器件的制备策略。（a）柔性电子系统的设计示意图，包括通过静电纺丝制备的TPU基板和通过模板印刷在TPU膜上图案化的LM电路。多层结构的电子系统是通过逐层组装制备的。（b）典型的柔性电子器件及其夹层结构的照片。（c）典型柔性电子器件的表面扫描电子显微镜（SEM）图像：夹层结构的横截面（左），TPU纳米纤维膜（中），均匀印刷的LM（右）。（d）横截面的能量色散X射线能谱（EDS）。
图2.柔性电子设备的拉伸性、透气性和稳定性。（a，b）以不同速度制备的TPU（a）和TPU/LM（b）膜的横向（T）和纵向（L）单轴拉伸应力-应变行为。（c）在50%横向应变下以rpm制备的线材的循环拉伸性能。（d）在20%纵向应变下以0rpm制备的线材的长期循环拉伸性能。（e）膜的透气性与厚度和LM的关系。（f）电纺TPU纳米纤维膜的静态水接触角。（g）柔性电子器件的良好化学惰性；酸（H2SO4，pH=1）、碱（NaOH，pH=13）和盐水（NaCl，0.9%）不会影响其稳定性。（h）相当于商用铜线的温度稳定性。（i）在六个月的电阻监测期间，三个样品均显示出微小的变化。
图3.LM和TPU纳米纤维之间的相互作用。（a，b）TPU和TPU/LM的ATR-FTIR（a）和拉曼（b）光谱。（c）TPU和TPU/LM的XPSC1s光谱。（d）TPU和TPU/LM的XPSN1s光谱。（e）LM和TPU/LM的XPSGa2p3光谱。（f）LM和TPU/LM的XPSO1s光谱。（g）TPU纳米纤维与LM之间界面的SEM图像。（h，i）线材截面的SEM图像。
图4.超拉伸线材和柔性显示器。（a）即使在拉伸%后仍能稳定工作的柔性线材的照片。（b）用于手机充电的柔性线在拉伸40%后仍能正常供电的照片。（c）在缠绕和弯曲状态下正常工作的柔性线的照片。（d）柔性显示器中双层电路的原理。（e）柔性显示器正面和背面的照片。（f）在弯曲状态下工作的柔性显示器的照片。（g）在微型计算机控制下运行“IloveUSTC”的柔性显示器。
图5.用于监测人体运动的柔性应变传感器。（a）相对电阻对传感器伸长的依赖性。（b）不同拉伸应变（10%、20%和40%）循环期间电阻的时间依赖性。（c）传感器在不同应变下的相对电阻及其保持能力。（d）不同加载和卸载频率下传感器的响应特性曲线。（e）在手指的不同弯曲角度（15°、45°和90°）下柔性应变传感器的监测曲线。（f）面部表情细微变化的监测曲线。（g）佩戴柔性应变传感器并发音“hello”和“hi”的受试者的实验记录。（h）受试者在行走和跑步状态下的实验记录。
图6.用于接触和压力传感的柔性电容器。（a）安装在手模型上的柔性触觉传感矩阵和智能手机触觉显示界面的照片。（b-d）触觉传感器检测单点（b）、两点（c）和多点（d）触摸并在智能手机上实时显示的照片。（e）触摸和压力两种检测模式的基本原理。触摸芯片用于分析触摸引起的频率振荡，精密LCR表用于测定压力引起的电容变化。（f）位于手部的柔性压力传感器的照片（顶部）和传感器分布示意图（底部）。（g-i）受试者抓起苹果（g）、水瓶（h）以及与人握手（i）的照片。下方的示意图展示了相应的传感器信号强度和分布。
图7.柔性电子器件的可回收性与重置。（a）柔性电子器件制备、回收和重新配置的循环过程示意图。（b）柔性低通过滤器和重新配置的柔性高通过滤器的照片。（c）低通（左）和高通（右）过滤器的电气原理。（d）显示低通和高通过滤器的幅频响应特性的实验记录。