器件可拉伸性的实现

人体皮肤具有优异的可拉伸性，因此电子皮肤需要有与人体皮肤相似的可拉伸性，这样在使用过程中才能保持与皮肤良好的贴合性，并且延长工作寿命。为了获得电子皮肤优异的可拉伸性，一方面需要开发具有优异弹性的材料，另一方面需要对材料在器件中的排列结构进行设计，从而获得具有优异可拉伸性的电子皮肤器件。前文“材料的选择”主要介绍了柔性、可拉伸性材料的选择，主要是从材料的固有可拉伸性出发，选择具有适当可拉伸性的材料，增强器件的可拉伸性。下面将主要从材料在器件中的集成结构出发，介绍增强器件可拉伸性的方法。

传统的无机半导体/导体材料通常模量高、脆性高、可拉伸性差，在柔性器件应用方面受到诸多限制。为解决这些问题，研究人员从材料的几何构型出发，发展了一系列制备具有优异可拉伸性材料的方法。

第一种方法是通过拉伸使连续薄膜产生裂隙。首先将刚性的连续导体/半导体薄膜置于弹性基底上，然后对基底进行单向或双向拉伸。由于薄膜具有脆性，在拉伸基底的过程中，薄膜断裂形成裂隙。随着拉伸程度的增大，裂隙变宽或裂隙数量变多，材料获得良好的可拉伸性。通过控制拉伸程度，薄膜在产生裂隙的同时可维持导电通路（图10-2（a））。Graz等人通过该策略将金膜复合于弹性基底上，其拉伸程度达到100％时仍能保持良好的导电性。

第二种方法是使一维纤维状材料在基底铺展。由于一维材料的随机取向，基底可形成导电网络通路。在基底拉伸时，材料仍能与基底直接接触，导电网络可随着基底的拉伸发生形变。即使在形变量较大时，导电网络也不会被破坏（图10-2（b））。例如Lee和Ko团队利用银纳米线作为导电材料制作了具有高拉伸性和高导电性的电极材料，其形变量可达460％，并且在拉伸时其薄膜电阻仍然较低。(https://www.daowen.com)

第三种方法是利用微加工法对导电材料进行图案化（图10-2（c）），形成弯曲或螺旋结构，然后将其与弹性基底复合。具有螺旋结构的导电材料可随基底的拉伸发生较大形变，类似于弹簧在拉力作用下发生可逆形变，从而赋予复合材料良好的可拉伸性。Gonzalez等人对导电材料的多种图案化结构对器件可拉伸性的影响进行了研究，他们发现当导电材料以蛇形或马蹄形置于基底中时，材料的可拉伸性最好，在形变量达100％时仍能保持良好的导电性。多层蛇形结构叠加的方式可进一步提升其可拉伸性。

图10-2　几种提升器件可拉伸性的方法
（a）拉伸弹性基底，使刚性导体/半导体薄膜产生裂隙，同时保持导电通路；（b）利用一维纤维状材料构建网络结构，拉伸变形时，仍保持导电通路；（c）将导电材料以蛇形或马蹄形置于基底中，提升可拉伸性；（d）单向预拉伸可制备线性褶皱；（e）双向拉伸可制备人字形褶皱
Figure 10-2　Several methods to improve the stretchability of the device
（a）Stretching the elastic substrate to create cracks in the rigid conductor/semiconductor film；（b）Using one-dimensional fibrous materials to build a deformable network structure；（c）The conductive materials are placed in the substrate in a serpentine or horseshoe shape to improve the stretchability；（d）Unidirectional pre-stretching can produce linear folds；（e）Bidirectional stretching can produce herringbone folds

第四种方法是将高模量的导体材料复合于预拉伸的弹性基底上。在基底收缩时，导体材料出现褶皱。单向预拉伸可制备线性褶皱（图10-2（d）），双向拉伸可制备人字形褶皱（图10-2（e））。此外，还可通过微加工方法预先在弹性基底表面构筑褶皱结构，然后将导电材料复合于褶皱的表面。通过该方法制备的褶皱结构也具有良好的可拉伸性。褶皱策略适用于多种材料，包括无机半导体、金属、复合材料、石墨烯、碳纳米管等。由于褶皱的存在，柔性器件在被拉伸时，其中的导体材料的形变主要源自其几何结构的变化，材料本身不会产生大形变。利用褶皱策略不仅可赋予器件良好的可拉伸性，还可避免材料本身的反复变形，有利于延长器件的使用寿命。