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清华邹贵生、刘磊、朱宏伟AFM:基于贝壳仿生的液态金属基超灵敏电子皮肤

近年来,以镓铟合金为代表的液态金属因其室温下流动特性、优异的导电/导热性、出色的生物兼容性等优点在柔性电子领域受到了极大关注。构建全部由液态金属基(液态金属或其混合物)功能材料构成的柔性元器件系统对于开发高性能集成式电子皮肤具有十分重大的意义。迄今液态金属已经在可拉伸电极/电路、柔性互连、柔性执行器、柔性通断器等多种电子皮肤元件方面展现出优异性能。然而对于柔性力学传感器这一大类重要元件,液态金属的表现还亟待提升。目前,液态金属基力学传感器虽已有大量报道,但由于液态金属固有的电阻变化对机械刺激的不敏感性,所制备力学传感器特别是应变传感器的灵敏度远低于主流器件水平。

另一方面,固态金属薄膜已被充分证明是构建超灵敏应变传感器的优异材料。在液态金属中加入适量固态金属薄膜,有望大幅提升液态金属基传感器的灵敏度水平。然而,液态金属与固态金属的耦合需要克服两大挑战:其一,固态金属薄膜往往在小应变下即形成导致断路的横贯性裂纹,这难以适配液态金属基应变传感器普遍具有的宽应变量程;其二,已有文献表明,将液态金属与固态材料简单混合并不能显著提升器件灵敏度。这是由于液态金属具有优异的导电性和流动性,当器件中形成液态金属连续通路,器件的电学响应即难以随形变发生显著变化。

为克服上述液态金属基应变传感器灵敏度低下的固有局限,清华大学邹贵生、刘磊课题组和朱宏伟课题组等研究人员受贝壳珍珠层启发,基于超快激光增-减材复合制造技术,将液态金属共晶镓铟合金(EGaIn)与适量银薄膜混合构筑了砖-泥式固液双相薄膜用于柔性应变传感。相较已报道的液态金属基应变传感器,该新型器件在保有大量程(>85%应变)的同时使灵敏度实现了2个数量级的提升,率先使液态金属基应变传感器的灵敏度达到了主流应变传感器的水平,为构建液态金属基柔性元件集成系统消除了一大短板。

进一步的研究结果表明,通过砖泥式结构的设计克服了上述液态金属与固态金属耦合时面临的两大挑战:通过位于“砖”式液态金属单元下方的硬质铬打底层对局域应变场的调控作用,有效抑制了“泥”式银薄膜区域横贯性裂纹的产生;通过对液态金属与固态银薄膜分立式空间排布,避免了连续的液态金属导电通路的形成,且通过调整砖-泥式结构的图案参数可有效调控器件量程。基于这种有针对性的裂纹控制策略以及对液态金属-固态薄膜空间分布的合理设计,促成了超灵敏、宽量程的液态金属基应变传感器的实现。最后,基于该新型液态金属基传感材料和液态金属电极所构成的电子皮肤在手语和肢体运动识别、信号编码等领域展现出良好的应用前景。

清华大学博士生冯斌为论文第一作者,清华大学邹贵生教授为该研究总负责人,清华大学刘磊副教授为论文通讯作者,清华大学朱宏伟教授为共同通讯作者。 清华大学博士后姜欣、赵冠雷,北京理工大学助理教授杨恒,清华大学博士生王文淦、孙天鸣、董明晔、肖宇共同参与了本研究工作。该研究获得国家自然科学基金(51775299, 52075287)、国家重点研发计划(2017YFB1104900)等项目的资助。

论文信息:

Nacre-Inspired, Liquid Metal-Based Ultrasensitive Electronic Skin by Spatially Regulated Cracking Strategy

Bin Feng, Xin Jiang, Guisheng Zou, Wengan Wang, Tianming Sun, Heng Yang, Guanlei Zhao, Mingye Dong, Yu Xiao, Hongwei Zhu*, Lei Liu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202102359

期刊简介:

《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)是Wiley出版社旗下材料科学知名期刊之一,金博士体育洗码:专注发表纳米技术、化学、物理、生物等应用领域中有关材料科学的重大突破。最新影响因子为16.836,中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。


转自:"MaterialsViews"微信公众号


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