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华南理工大学刘岚教授课题组《Adv.Funct.Mater.》:基于液态金属颗粒的功能化制备可实时自修复柔性电路
2020-02-23  来源:高分子科技

  目前,柔性电子设备的弯曲、折叠性能正朝着更耐久、曲率更小的方向发展,其中柔性电路不可避免地处于动态形变的工作环境中。传统刚性导电材料(例如Cu,Ag,ITO)往往易发生断裂导致材料电性能下降。近年来,研究人员采用兼具“流动性”与“高导电”的镓基液态金属颗粒(LMPs)制备柔性电路来替代刚性导电材料。然而已有关于LMPs的研究仍存在以下挑战:(1)LMPs表面存在三氧化二镓(Ga2O3)半导体层,制备的电路需要通过外加烧结来形成导电通路;(2)烧结的电路周围存在未活化LMPs,让电路存在短路的风险。因此,克服镓基液态金属颗粒表面电惰性,制备可实时自修复的柔性电路,对保证柔性电子设备在动态下稳定和长期使用有着重要的意义。

  针对上述问题,华南理工大学刘岚教授课题组通过原位化学镀方法,将纳米银包覆在LMPs的表面,成功制备了无需外加烧结就具有优异初始电导率的“核-壳”导电颗粒(Ag@LMPs)。这种颗粒在弯折或机械破坏时,因外层银壳的破裂而释放低模量的液态金属,保持导电通路实时连接。正因以上优势,通过丝网印刷制得的电路具有出色的稳定性和耐用性(在0.5mm的弯曲半径下进行10000次弯曲后,R/R0<1.65)。

图1 (a)Ag@LMPs的制备流程;(b)Ag@LMPs的形貌和粒径分布;(c)透射电镜与EDS元素分布图

  这项工作通过在液态金属表面进行原位化学镀纳米银(图1a),成功将银包覆在液态金属表面,得到了核-壳结构的Ag@LMPs。其粒径约分布在1.5 μm左右(图1b)。透射电镜(TEM)与EDS元素分析也进一步证明核-壳的组分(图1c)。

图2 (a)银含量对Ag@LMPs的紫外-可见光结果的影响;(b)银含量对Ag@LMPs的银壳厚度与初始导电性能的影响;(c)粒子具有耐酸碱能力;(d)银含量对Ag@LMPs形貌的影响

  外壳纳米银层的厚度是影响核-壳粒子结构与性能的重要因素。图2研究了银含量对Ag@LMPs的壳厚度与初始导电性的影响。结果表明,随着银含量增加,纳米银壳厚度逐渐增加,相应的初始电导率也提升。随后将Ag@LMPs通过丝网印刷制备了柔性可折叠电路A-circuit(图3a-b),表现出优异的稳定性和耐用性(如图4b-e)。由于液态金属在受力时会溢出,可实现柔性电路的实时自修复。(如图4f-j)

图3 Ag@LMPs电路的制备与图案化

图4 (b-e)A-circuit在折叠时的电性能稳定性;(f)A-circuit的实时自修复性能;(g-j)液态金属受力溢出的EDS元素分布

  在应用方面,Ag@LMPs制备的柔性电路能够用在NFC标签,柔性排线、可直写电路等方面,表现出稳定的电性能;因此,在柔性电子设备展现出很好的应用潜力。

图5 Ag@LMPs的应用(a-c)柔性NFC;(d-f)柔性排线;(g-i)可直写电路

  相关成果以“A Novel Conductive Core–Shell Particle Based on Liquid Metal for Fabricating Real‐Time Self‐Repairing Flexible Circuits”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上,第一作者为华南理工大学硕士生郑荣敏,通讯作者为刘岚教授。该研究获得广州市科技计划项目重点项目(项目号:201904020034)的资助。

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(责任编辑:xu)
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