可控大变形高性能柔性可延展电子器件结构设计力学

Stretchable electronics based on inorganic semiconductor materials (e.g., silicon), which is stretchable and retains the electrical performance of silicon, has become the hotspot of the electronics industry. The existing designs for stretchable inorganic electronics can provide large stretchability. However, it cannot satisfy the requirements of stretchable high performance electronics: (1) offer the combination of large strechability and high area density of functional components, and (2) control the strain level in the functional component. In order to overcome these two challenges, we propose a novel design based on fractal interconnect and substrate surface relief structure for stretchable inorganic electronics. Mechanics models will be developed to study the deformation mechanism of fractal interconnect and surface relief structure, and their influences on the deformation of functional components. These models will provide a route to underdtand the underlying physics of system and establish design guideline for the fabrication of strechable high performance inorganic electronics with >90% area density and >100% stretchability. This study will enhance the design capability of stretchable electronics and improve its applications significantly.

以无机半导体例如硅为电子元件的柔性可延展电子器件，既具有半导体硅的电学和物理特性，同时具有大延展性，已成为电子产业的研究热点。然而目前用于柔性可延展电子器件的结构设计，虽然可以满足大延展性的要求，但无法满足高性能柔性可延展电子器件的要求：(1)同时具有大密度功能器件和大延展性，和 (2)控制功能器件的应变水平从而控制功能器件的变形行为。针对这些问题和挑战，本项目提出基于自相似互联导线和柔性基体表面微结构的全新柔性可延展电子结构设计，研究自相似互联导线的可延展力学机制和表面微结构的变形分布对功能器件变形的影响和调控机理，以结构几何形式、尺寸大小、材料性能匹配、应变控制等为设计参数，发展系统整体柔性和延展性的设计原理，实现具有大密度功能器件（>90％）和大延展性（>100％）的高性能柔性可延展电子。本项目的研究将有助于提升柔性可延展电子器件的结构设计技术水平，大大推进柔性可延展电子的应用范围。

基于无机材料（例如硅）的可延展柔性电子器件，既具备传统电子器件的高性能，又具有可拉伸、弯曲、扭转等力学特性，在能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。实现可延展柔性无机电子器件最有效的途径是通过力学结构设计，将传统刚硬无机薄膜与柔性基体集成。硬薄膜与柔性基体的力学性能相差多个数量级，这对器件的结构设计和可靠性带来极大的挑战。..本项目针对当前可延展柔性结构设计中存在的问题和挑战，提出新型可延展结构设计，重点开展硬薄膜/柔性基体屈曲力学分析、柔性基体的可延展结构设计、薄膜/柔性基体界面粘附调控和界面失效准则、薄膜/基体结构的热力耦合变形等。这些结果对认识硬薄膜/柔性基体结构的变形机制和提高可延展柔性电子器件的可靠性具有重要的科学和现实意义。..项目共发表期刊论文24篇（其中SCI论文20篇）；培养在读博士生4名，毕业硕士生1名，在读硕士生3名；组织国内外学术会议（conference/symposium）或会议分会场11次，包括2016年3月16-18日作为会议主席组织召开国际前沿力学主题研讨会“IUTAM Symposium on Mechanics of Stretchable Electronics”；参加各类学术会议26次；项目负责人宋吉舟2014年获香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”，2015年获浙江省杰出青年基金，2016年获国家自然科学基金委优秀青年科学基金资助，2017年入选新领军者年会“青年科学家”。