纳米粒子密堆积型弹性复合导体的制备与器件应用研究

Elastic conductors are key components for stretchable electronics, which are highly desirable for applications requiring seamless contact with the skin, such as health monitoring, medical implants, human-machine interfaces, and cohesive energy sources. Nanocomposites with intrinsic stretchability offer attractive characteristics to fulfill the requirement. In these materials, striking a good balance between conductivity and stretchability, and enabling their microscale or nanoscale patterning are key challenges influencing the performance and integration densities of stretchable devices. In order to address this issue, we propose that nanocomposites with dense-packing nanoparticles can serve as high-performance elastic conductors. These nanocomposites will be made with assembly techniques through the combination of metallic nanoparticles and polyurethane. The nanoparticles in such elastomeric composites are mobile, similar to the behavior of atoms in liquid metals. Through a systematic investigation of the relationship between nanoparticle mobility and nanoparticle sizes or polyurethane chain compositions, a rule will be established to identify the key factors affecting the apparent performance of this type of composites. In addition, we will investigate the high-resolution patterning of these composites through electrohydrodynamic or direct-write printing, and their integration into stretchable nanoelectronics and digital circuits. The development of high-resolution patternable elastic conductors will lay the foundation for the development of Internet of Things and wearable applications.

可拉伸电子器件具有类似皮肤的柔性，因此在健康监测、医疗植入、人机界面、便携能源等应用中有重要价值。这类器件中，弹性导体是重要组成部分。制备本征可拉伸的导电纳米复合材料是实现弹性导体的一种有效方法。解决这类材料中导电性和延展性间的对立以及微纳米图案化问题，是提高器件性能和集成密度的主要挑战。本项目拟利用自组装技术，通过设计和制备具有纳米粒子密堆积结构的聚氨酯基复合材料来解决这些问题。与液态金属中原子的行为类似，在这类材料中纳米粒子也具有可移动性。通过对纳米粒子大小和聚氨酯链段的调控，将有效构建纳米粒子的微观移动性能与表观性能的关系。另外，本项目将利用高分辨率的电喷印或直写印刷技术，研究这类弹性复合导体微纳米图案化的关键因素。这类导体将进一步被集成到可拉伸纳米电子器件和数字电路中，用于探索弹性复合材料的组成和结构对器件和电路性能的影响。这项研究将促进物联网和可穿戴应用的发展。

柔性可拉伸电子器件在健康监测、医疗植入、人机界面、便携能源等应用中有重要价值。制备具有一定拉伸性的高性能电子材料，并研究其图案化方法是优化该类器件的重要前提。在该项目支持下，我们利用组装诱导的纳米基元密堆积及与高分子复合方法，制备合成了一系列弹性导体、柔性半导体材料、弹性介电材料，并展示了其在柔性晶体管及光电器件中的应用。 重要结果如下：（1）实现了最小线宽为3 μm的直写印刷弹性银纳米颗粒导体油墨，其室温直接干燥电导率为8846 S cm-1，并在100％应变下电导率仍能保持为1305 S cm-1。（b）实现了密堆的MoS2纳米膜，构筑的场效应晶体管在小于2V的工作电压条件下，载流子迁移率高达9.8 cm2·V−1·s−1，开关比为2.1× 10^5，器件制备的退火温度低至200 °C，易于制备柔性场效应晶体管器件。(c)制备了尺寸均匀的Bi2O2Se二维半导体电子墨水，利用该材料可制备薄膜光探测器，在520 nm激光下，该器件的光响应度达6.1 A W-1, 反应时间为 368 μs，调制频率高达 100 kHz， -3dB 带宽为 1 kHz。（d）通过静电吸附层层自组装的方式制备了薄至15 nm的弹性介电层，经过温和的退火后，薄膜可自修复内部产生的缺陷和针孔，使得该超薄膜可提供237 nF cm-2的高的面积电容和在2 V下3.2×10^-8 A cm-2 的低漏电流。（e）成功通过悬浮纳米纤维为掩模制造了长度小至48 nm的沟道，可实现亚微米短沟道器件阵列的高度集成制造。项目支持下，发表SCI论文18 篇，其中包括Adv. Mater. 2 篇， Adv. Func. Mater. 1 篇， Small 4 篇；申请专利2项，授权1项。