研究人員通過MicroFab的Jetlab 4噴墨打印系統(tǒng)在用于全向可拉伸和可印刷電子產(chǎn)品的仿生地形彈性花瓣（E-petal）上，制備了一個完全打印的應變傳感器作為電子皮膚。驗證了金屬圖案可以通過噴墨打印技術(shù)輕松打印到E-petal上。
在過去十年中，超柔性、可拉伸和可穿戴電子的研究蓬勃發(fā)展，見證了先進材料、結(jié)構(gòu)和設備的顯著發(fā)展，這些材料、結(jié)構(gòu)和設備可以在大拉伸應變(1%)下工作。特別是，實現(xiàn)高導電性和可拉伸性金屬互連、觸點和電極被認為是這些薄膜器件的一個關(guān)鍵里程碑。通常，金屬被認為是剛性和不可拉伸的材料，因為它們的楊氏模量*高，例如，銅的楊氏模量>100GPa。因此，即使施加*小的拉伸應變，沉積在塑料或平面彈性基材上的金屬薄膜也會嚴重開裂。通過將平面金屬薄膜設計成波狀的幾何形狀，已經(jīng)部分克服了這一挑戰(zhàn)，這種薄膜利用了波狀結(jié)構(gòu)在拉伸釋放過程中的可逆彈性變形，以防止金屬開裂。報道較多的兩種主要的波浪幾何形狀是屈曲和蛇形線。金屬屈曲是通過先在預拉伸的平面彈性襯底上沉積平面金屬薄膜或圖案，然后在彈性體上釋放應變，使金屬自發(fā)彎曲。金屬蛇形線是通過光刻技術(shù)直接在平面彈性襯底上形成圖案。已經(jīng)報道了許多基于這些波狀導體的可伸縮電子器件。然而，這些波浪顯示出一些固有的缺陷。一方面，需要復雜的多波結(jié)構(gòu)工程設計來實現(xiàn)全方位拉伸能力。一方面，在制造屈曲時，*難控制大面積或基材特定部位的預拉伸和應變釋放。另一方面，蛇形線的制作涉及許多光刻和蝕刻步驟，復雜且勞動強度大。此外，蛇形線主要用于可拉伸互連，但不適用于電極應用。這些蛇形互連也不可避免地降低了設備密度。為了尋求替代策略，以避免復雜的制造和操作，同時使導電層具有可伸縮性，相關(guān)研究團隊報告了一種新的生物模擬彈性體花瓣（E-petal），它可以作為多功能基片，用于制作全向可拉伸和可印刷的薄膜電子金屬導體，而不需要任何預拉伸或光刻工藝。E-petal是使用天然玫瑰花瓣作為模具通過高度可擴展的一步軟光刻復制制作的。E-petal的上表面具有連續(xù)的三維微尺度隕石坑狀地形，而不是用于可伸縮電子器件的傳統(tǒng)的平面彈簧體襯底，其中的尖銳脊充當止裂邊緣。也就是說，當導電材料如金屬薄膜沉積在頂部時，尖銳的脊線可以有效地阻止在大應變下形成的導電層中微裂紋的擴展。因此，導電層的電阻在大應變變形中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。作為概念驗證，研究團隊演示了利用真空沉積或溶液鑄造方法沉積的金屬和導電聚合物制備全向可拉伸導體。并對該機構(gòu)進行了有限元分析。更重要的是，金屬圖案可以通過噴墨打印等技術(shù)輕松打印到E-petal上。研究團隊展示一個完全打印的應變傳感器作為電子皮膚，使用指叉銅電極、互連和E-petal上的觸點。需要指出的是，以往關(guān)于仿生結(jié)構(gòu)的研究，如荷葉和鯊魚皮膚，主要集中在表面潤濕/去濕特性上。只有少數(shù)作品報道使用這些浮雕結(jié)構(gòu)來制造柔性電子器件。E-petal的制作遵循一步軟光刻復制過程，如下圖a所示。簡而言之，新鮮的黃玫瑰花瓣被粘在塑料培養(yǎng)皿上，用作模具（下圖b,c）。以10:1的比例將聚二甲基硅氧烷（PDMS）預聚物及其固化劑的混合物倒在玫瑰花瓣上，然后在真空干燥器中脫氣。在室溫固化48h后，將已固化的PDMS從玫瑰花瓣模具上剝離得到E-petal（下圖d）。葉片厚度約為1mm。▲ E-petal的制備與表征。a）用天然玫瑰花瓣制作E-petal示意圖。b）新鮮的黃色玫瑰花瓣。c）粘在培養(yǎng)皿底部的玫瑰花瓣，以及d）制作好的E-petal。e）天然玫瑰花瓣。f）花瓣形貌。g）花瓣截面的SEM圖像。
結(jié)果表明，ELD-Cu/E-petal鍍層均勻且連續(xù)。ELD-Cu/E-petal表面可見明顯的微坑和納米褶皺，ELD-Cu的厚度約為120nm。ELD-Cu/E-petal的電導率為2.0×107 Sm-1，表明Cu層高度致密。研究團隊研究了ELD-Cu/E-petal的表面形貌結(jié)構(gòu)，在9個不同的點上繪制了表面輪廓儀。測量了剖面的**高度（Rt）、直徑（l）和深度（h）。經(jīng)統(tǒng)計學分析，長31.5±4.0μm，深12.5±1.5μm。這一表面形態(tài)與下面的E-petal表面**相似表明，PAMD方法是在形貌表面制備共形金屬涂層的理想方法。此外，需要復雜的圖案設計來實現(xiàn)全方位的拉伸。這些全向可拉伸的ELD-Cu/E-petal導體**適合于可穿戴和可拉伸的電子應用，在這些應用中經(jīng)常發(fā)生不規(guī)則的3D變形。作為概念驗證演示，研發(fā)團隊將發(fā)光二極管（LED）集成到一個具有ELD-Cu/E-petal互連的電子電路中。在ELD-Cu/E-petal互連處施加3V的直流電壓，同時用尖銳的移液管**進行沖擊?？梢钥闯觯m然ELD-Cu/E-petal在沖壓下變形較大，但LED強度沒有明顯變化。注意，通過溶液處理方法在E-petal上輕松制造可拉伸導體是可印刷電子應用的理想選擇。作為概念驗證，研發(fā)團隊開發(fā)了一種應變傳感器，使用“E-petal”上打印的可拉伸金屬電極作為電子皮膚。如下圖a所示，**用噴墨打印技術(shù)在E-petal上打印出六對由Cu和Ag雙分子層（Ag on Cu on top）構(gòu)成的具有互連和觸點的指間電極。如上所述，用PMETAC對E-petal進行了改性。然后[PdCl4]2-根據(jù)圖案設計將含墨噴墨打印到E-petal上，然后對Cu和Ag進行連續(xù)ELD，形成Ag/Cu電極、互連線和觸點的雙層結(jié)構(gòu)。電極寬度為650μm，間隙為350μm。隨后，將氧化石墨烯（GO）自旋涂覆在Ag/Cu電極上，并還原形成還原氧化石墨烯（rGO）薄層。▲ 在 E-petal 上印刷應變傳感器作為電子皮膚。a) E-petal 上印刷應變傳感器的制造過程示意圖。b) 在 800 次拉伸測試循環(huán)期間應變傳感器的歸一化電阻。插圖：設備的數(shù)字圖像。c) 拉伸試驗期間器件的放大電流變化。d) 作為電子皮膚的印刷應變傳感器的演示。該設備連接在一根手指上，手指以四種不同的手勢彎曲。e）應變傳感器在（d）中顯示的四種不同狀態(tài)下的典型電流變化。
打印的應變傳感器的制造：14mg的(NH4)2PdCl4和10mg的聚（乙二醇）溶于10g 去離子水作為噴墨墨水。將樣品放入MicroFab的Jetlab 4噴墨打印機的腔室中。墨水按照電極、互連和接觸墊的圖案打印，并在基板上停留幾分鐘以將PdCl42–加載到PMETAC聚合物中。采用ELD法連續(xù)沉積Ag/Cu雙層膜。鍍銀液由1gL?1[Ag(NH3)2]NO3和5gL?1KOCOCH(OH)CH(OH)COONa·4H2O組成。最后，用改進的hummers方法制備的氧化石墨烯溶液，以300rpm的速度在電極/E-petal表面上旋涂20分鐘。然后在通風柜中在肼蒸汽氣氛中還原氧化石墨烯過夜，然后在90℃下退火。參考文獻：
[1] Guo R , Yu Y , Zeng J , et al. Biomimicking Topographic Elastomeric Petals (E-Petals) for Omnidirectional Stretchable and Printable Electronics[J]. Advanced Science, 2015, 2(3).
