论文部分内容阅读
传统电子特征之一是结构平面化以及力学性能硬脆化。柔性电子是在传统电子的基础上发展起来，它一方面赋予了传统电子力学上的柔性甚至可延展性，另一方面还实现了传统电子无法实现的一些新应用。随着现代科技日新月异的进步，以及人们越来越多元化的需求，柔性电子开始慢慢成为更加受青睐的发展方向。 当前柔性电子从应用上可以大致分为柔性光电子器件和柔性可穿戴电子器件两大类。柔性光电子产品的基本部件之一是柔性透明电极，作为光电子窗口材料。柔性可穿戴电子则包括电加热织物、可穿戴运动传感器、电子皮肤等。此外，弹性导体扮演着提供弹性电路导通的重要角色，也在柔性电子的制备组装中频繁地现身。金属纳米线及碳纳米材料由于具有优异的电学性能和良好的本征力学柔性，成为设计制备柔性电子器件的重要材料选择。本论文采用了包括铜纳米线、银纳米线和石墨烯等材料，设计制备了柔性透明电极、弹性导体、可穿戴电加热织物以及传感器，系统研究了各种器件的性能，并重点探讨了工作机理。具体的研究内容、方法和结论如下: (1)基于铜纳米线的透明电极制备 对一种铜纳米线的溶剂热合成法进行了催化剂以及合成方法的优化，改善了铜纳米线的质量，并将产量提高了3倍，实现了放大合成。利用所合成的铜纳米线，采用原位聚合转移的方法，制备了柔性透明电极，这种透明电极具有优异的透光-导电性能（86.6％，72Ω/□）。紫外光照原位聚合的方法使得铜纳米线网络被部分包埋在聚合物基底中，给予了复合透明导电膜极好的柔韧性、一定的拉伸性（15％可变形范围）和力学稳定性（耐弯折，耐摩擦），更为重要的是，基于铜纳米线的柔性电极的化学稳定性得到了极大的提高，这为其进行实际应用奠定了基础。 (2)基于银纳米线的超高弹性导电纤维 以银纳米线作为导电材料，通过构型设计，制备了具有超高弹性（500％变形范围）的导电纤维。其电导率高达4000 S/cm，并且在各种力学变形条件下，如拉伸和弯曲，都可以维持较高的导电能力，如在拉伸至500％的应变条件下，电导率仍然可以保持在688 S/cm。在应用展示中，利用弹性导电纤维作为导线系统，将LED阵列直接集成组装在柔性聚合物基底上,得到的LED阵列在拉伸、弯曲等各种变形下都能够稳定工作，证明了该弹性导电纤维在大面积柔性电子学领域的应用潜力。最后，通过小鼠背部皮下的植入实验证明了该弹性导电纤维的生物兼容性，为其在可植入柔性器件领域的应用做好了准备。 (3)基于铜纳米线的电加热织物 利用铜纳米线，设计了一种具有多级结构的电加热纤维，独特的结构设计使得这种纤维在拉伸条件下电导率能够保持的异常稳定（40％应变下电阻上升仅仅为8％），利用这种导电纤维实现了低电压下的快速加热（3V电压下20s内从20℃加热到57℃），并且对电加热的机理做了深入分析和模拟。最后，成功地将这种电加热纤维进行了编织，与无线监测以及调控温度的微控制芯片进行集成，应用在膝盖关节热疗和婴儿的保暖。成功地对材料、结构和微电子技术进行了有机的结合，制备组装了智能可穿戴的电加热织物。 (4)基于石墨烯的多功能纤维传感器 利用石墨烯设计制备了一种具有压缩弹簧微结构的纤维传感器，这种石墨烯复合纤维不仅拥有良好的柔性，而且其独特的微结构能够实现对拉伸应变、弯曲以及扭转的感应。深入分析了石墨烯纤维传感器对各种形变的感应机理，在进一步的可穿戴应用中，利用这种柔性传感器的优异性能实现了对多种人体生理活动的实时监测，如奔跑、步行、跳跃等剧烈运动状态，以及心跳、脉搏等生理活动的实时感应和反馈，实现了全范围的可穿戴式人体活动监测。 (5)基于银纳米线的电子皮肤 利用基于银纳米线的纤维电极制备了柔性的电子皮肤，银纳米线纤维电极采取了预制裂纹化的巧妙处理。所制备的电子皮肤不仅可以在电容模式下对压力进行响应，还可以在电阻模式下对平面应变进行感应，而且纤维电极的正交构型使得电子皮肤还可以分辨平面应变的方向，进一步扩展了可能的应用。我们对其感应机理进行了深入分析，并将电子皮肤应用于平面、曲面的压力感应平台，以及可穿戴式的人体动作监测电子皮肤。