类皮肤可拉伸电子器件是一种很有发展前景的人机界面，但是器件在应变条件下会产生一定的微裂纹，从而使得器件表现出较差的电子性能和不可靠的机械稳定性。为了提高可拉伸电子器件的应变能力，可以将其设计成岛桥结构。同时为了提升岛桥结构电子器件的可形变性和鲁棒性，已经有研究提出了异质岛基质结构以及锯齿形金属互连，然而这两种方案的器件稳定性都有所欠缺。
电子科技大学Yuan Lin与Taisong Pan课题组通过优化刚性和弹性组件之间的刚度和接口，实现了具有鲁棒性的大规模可形变的岛桥结构电子器件。 通过将共聚物基片设计成由镶嵌着的刚性和弹性区域组成，使其具有接近四个数量级的杨氏模量对比度和交联界面。电子功能器件和液态金属互联分别通过氢键共形地附着在刚性和弹性区域，从而使得功能器件跟应变完全隔离，当衬底变形高达550%时，液态金属的电阻变化小于1倍。
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图1：刚度和接口工程可拉伸电子器件的示意图。a）由本征柔软的聚合物或附着在柔软基底上的弯曲无机薄膜制成的可拉伸电子功能器件，在应变或疲劳下形成微裂纹。b）岛桥结构的可拉伸电子器件，其基于异质刚性岛和弹性基质以及蛇形金属互连、界面裂纹和在应变下形成的应力/应变集中。c）岛桥结构的可拉伸电子器件，其基于均质岛矩阵支撑的功能器件和液态金属（Liquid Metal, LM）互连、由大模量对比赋予的稳健的大规模变形能力以及化学键合界面（在下面的插图中示出）。在互连中描绘的从红色到蓝色的颜色梯度描述了应力和应变分布。![]()
图2：刚性IBOA-BA-AUD（IBA）和软IBA基板的变形性能和应变隔离性能。a）软IBA、b）刚性IBA和c）所获得的刚性BA和软IBA基底的光固化示意图。d）IBA前体分子的示意图和e）软IBA、刚性IBA及其连接界面的分子共价网络。颜色代码：绿色、红色和海军蓝线分别代表IBOA、BA和AUD的聚合分子链。f）固化的刚性IBA和软IBA及其前体的红外吸收光谱。归因于乙烯基的峰用虚线标记。g）刚性IBA和软IBA的应力-应变曲线和杨氏模量。h）与其他异质岛基质（蓝色区域）和均匀岛基质（橙子区域）基质相比，刚性IBA和软IBA基质的模量比和极限应变。i）PET和Ecoflex，j）刚性PDMS和软PDMS，以及k）刚性IBA和软IBA基底在不同应变下的照片。虚线框标记刚性区域的边界。l）在不同应变下涂覆在软IBA和刚性IBA上的MXene膜的光学图像。m）有限元模拟了刚性和柔性IBA基片在单轴应变下的应力-应变分布。
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图3：具有上级导电稳定性的印刷LM导体。a）在软IBA基底上印刷液态金属（LM）/DMF油墨和b）印刷的LM和软IBA之间的氢键结合界面的示意图。c）在软IBA上的油墨印刷的LM的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像（左）和元素分布（右）。d）在各种单轴应变下，原始软IBA和DMF处理的软IBA上的本体LM膜和软IBA上的油墨印刷的LM膜的相对电阻变化。R0是三个LM导体在无应变时的电阻，其为1.07 Ω。e）原始软IBA和DMF处理的软IBA上的本体LM膜和软IBA上的油墨印刷的LM膜在重复拉伸至200%应变下的电阻。f）与其它可拉伸导体相比，在软IBA上的油墨印刷LM膜的最大应变下的相对电阻变化。g）原始软-IBA，h）DMF处理的软IBA，和i）软IBA上的油墨印刷的LM膜在1000次拉伸释放循环之前和之后以200%的最大应变的本体LM膜的照片。最右边一列的图像是显示循环后LM膜的形态的示意图，其中红色轮廓表示LM的氧化镓壳。
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图4：岛桥结构的可伸缩无线充电超级电容器。印刷的a）刚性IBA岛上的超级电容器，b）软IBA基质上的LM天线，以及c）刚性和软IBA基板上的集成超级电容器和天线的照片。d）超级电容器在不同扫描速率下的循环伏安图（CV）。e）施加到发射线圈的电压波形，由LM天线接收，并被整流以用于对超级电容器进行直流充电。f）在无线充电期间测量的超级电容器的开路电压和充电电流密度。电流由超级电容器的几何面积归一化。g）当刚性IBA和软IBA基板被单轴拉伸到不同应变时，在5 mV s-1的扫描速率下，刚性IBA岛上的超级电容器的CV曲线。h）当软IBA基板被拉伸到不同应变时，由印刷的LM天线接收的电压波形。i）与其他可拉伸能量存储装置相比，无线可充电超级电容器（蓝色星星）在最大应变下的容量保持率。j）在拉伸（100%）、弯曲（180°）、扭转（180 °）和折叠的循环变形期间，刚性IBA和软IBA基板上的超级电容器的无线完全充电时间。（j）的插图是无线可充电超级电容器在不同变形下的照片
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图5：岛桥结构自供电软电子系统。a-d）附接在刚性IBA岛上的发光二极管（LED）和压敏电阻器的照片，所述刚性IBA岛通过软IBA矩阵上的印刷LM互连连接。当所有三个或每个单独的压敏电阻器被按压（d）时，外部电源用于点亮所有LED（a）、红色LED线（B）、黄色LED线（c）或蓝色LED线。刚性和软- IBA衬底上的发光LED阵列的照片，因为它是e）在松弛状态下，f）在拉伸下，g）层压在球体表面上，以及h）扭曲180°。i）自供电电子皮肤的电路图和j）照片，其由薄膜钙钛矿太阳能电池的串联、超级电容器的三个串联、具有“NPU”图案的微发光二极管的三个串联、两个开关和LM天线以及互连组成。太阳能电池、超级电容器、微型LED和开关附接在刚性IBA岛上，并且LM导体印刷在柔性IBA矩阵上。在k）光充电、l）无线充电和m）对微发光二极管放电期间，层压在人体上的电子皮肤的照片和测量的电压和电流。
在这项工作中，作者开发了一种岛桥结构的自供电可拉伸电子系统，其具有稳健的大规模形变功能。在这种软电子系统中，将具有显示、操作控制、能量收集和存储功能的电子设备放置在刚性岛上，即使在极端形变的条件下，应变也能够被有效地隔离。这种软电子系统可以层压在人体上，并且贴合完好，作为一个能量自主的电子皮肤，在重复多模变形期间表现出稳定的性能，展示了实现高度可变形能量自主软电子的有效途径。然而在使用器件作为电子皮肤时，也需要对其生物医学上的安全性以及相容性进行相应的研究。
【参考文献】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402221
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