删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

具有高延展性的柔性电子器件非屈曲结构设计与应用

本站小编 Free考研/2020-05-23

无机柔性电子器件仍然采用硅和金属为材料体系,以柔性基体代替传统电子器件的刚性基体,同时加之可延展力学结构设计,使得电子器件在发生整体变形的情况下,器件内部的硅和金属材料仍然不被破坏,从而实现了电子器件的可变形能力。柔性电子器件在服役过程中往往要与任意不可展曲面(如人体表面)动态贴合,所以,其可延展能力至关重要(图1)。

图1 a)与可展曲面贴合,只需可弯曲能力;b)与不可展曲面贴合,必需可延展能力
可延展柔性电子器件一般由不可变形的功能元器件和可延展结构组成。过去十年中,柔性电子器件可延展结构设计不断革新,以满足不同的设计要求,从一维结构发展到二维和三维结构,从简单的单级结构发展到多级分形结构。这些可延展结构可以分为两类:1)自由结构。其特点是结构与基体不粘接,变形过程中结构不受基体约束,可自由变形,延展性大,但不可封装;2)粘接结构。其特点是结构与基体粘接在一起,变形过程中结构受到基体约束,延展性较小(<60%),封装层对其延展性影响不大。实际器件应用中往往要求封装,且不变形的功能元器件需要占用一定的面积分数,实际器件的延展性往往只有百分之十几。所以,柔性电子器件要实际应用,急需研究可封装且延展性大的结构设计

图2 a)柔性电子器件常采用的基本曲线结构;b)弹性延展性与可延展结构厚度的关系
之前的可延展结构设计主要为曲线“薄膜”结构(图2a),宽度一般在几十微米,厚度在几百纳米到1~2微米,在整体拉伸变形的情况下,结构发生褶皱变形或侧向屈曲。近日,中科院力学所柔性结构与器件课题组与美国伊利诺伊大学香槟分校及美国西北大学等学校的科研人员合作,另辟蹊径,提出了非屈曲结构设计,即将导线的厚度增大到与宽度同一量级,数值计算和实验测试均发现其延展性大大提高(图2b),优化值可以达到350%,是目前薄膜结构达到的最大值(60%)的6。同时,由于导线厚度的增加,其电阻大大较小,为电子器件提供了良好的电学性能和热学性能。
鉴于其优良的力学、电学和热学性能,非屈曲结构被应用于三种可延展柔性电子器件的研制中:1)可延展LED阵列。其拉伸前构型如图3a所示,整体拉伸245%后仍能正常工作(图3b)。另一方面,相对于薄膜结构,其厚度增加电阻减小,生成热也大大减小,与厚度为300纳米的结构相比,其最高温度由200多度降低到80度,展示了其良好的热学性能。2)可延展太阳能电池。图e展示了基于非屈曲结构的太阳能电池的变形情况,在整体拉伸应变从0增加到110%的过程中,电池性能稳定不发生变化(图2f)。3)可用于皮肤电子通讯的可延展柔性天线(不再详述)。

图3 (a, b, c & d)可延展LED阵列;(e & f)可延展太阳能电池。
该工作相关论文近日已被高影响力期刊Advanced Materials接收,Yewang Su, et al., In-Plane Deformation Mechanics for Highly Stretchable Electronics. Advanced Materials. Accepted (IF: 18.96)。该研究工作受到了国家自然科学基金面上项目的资助。
LNM供稿


附件:

相关话题/结构 力学

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 超高比强度及高热导三维碳蜂窝结构
    碳结构如富勒烯、纳米碳管、石墨烯等具有许多优异的性能。力学上,科研人员一直希望能充分利用其稳定、低密度、超高强度的特性。然而,当我们用这类碳结构来构筑宏观三维材料的骨架或增强组分时,维持这类基本单位结构高强度的共价键无法得到保留:结构之间,或结构与基体之间的结合通常被较弱的相互作用取代,如范德华尔斯 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • 力学所CO2动力循环研究进展
    CO2动力循环应用热源范围广泛,在工业余热能、地热能、太阳热能、生物质能、核能及常规化石能源领域,均具有极大的发展空间。在中高温热能发电领域,优势更加明显,具有引领发电领域革命,成为主流和核心发电技术的潜力。美国Sandia国家实验室、西南研究院(SwRI)和Lawrence Berkeley国家实 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • 力学所魏小林入选2016年度中国科学院王宽诚率先人才计划“产研人才扶持项目”
    力学所魏小林入选2016年度中国科学院王宽诚率先人才计划产研人才扶持项目近期,力学研究所魏小林研究员入选2016年度中国科学院王宽诚率先人才计划产研人才扶持项目。力学研究所魏小林研究员一直从事燃烧与节能减排的研发工作,针对固体燃料中氯、碱金属的 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • 斯坦福大学 Hanson教授应邀访问力学所并作钱学森工程科学讲座
    1月19日,美国斯坦福大学Ronald K. Hanson教授为钱学森工程科学讲座作了题为“Advances in Shock Tube Techniques for Fundamental Studies of Combustion Kinetics”的学术报告。报告会由高温气体动力学国家重点实验 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • 单分子成像法研究晶体生长中的固/液界面生长动力学进展
    溶液晶体生长过程中,溶质分子在晶体表面通过不断的吸附/脱附过程完成在晶体表面的固定化过程,从而实现晶体的逐步生长。因此,溶质分子的吸附/脱附过程是晶体生长过程中非常重要的过程,其动力学过程对晶体生长动力学有重要影响。要想深入了解晶体表面的吸附/脱附过程,至少需要了解两个过程,一、分子由溶液状态转变为 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • 力学所在纳米材料弹性理论方面取得进展
    纳米材料较大的表面积与体积比导致其力学行为呈现尺寸相关性(即纳米材料表面效应),经典连续介质力学理论与尺寸无关,不再适用于预测纳米材料力学行为,发展考虑表面效应的弹性力学理论成为必要。已有考虑表面效应的理论模型多基于表面弹性理论,即将纳米材料的表面看成无厚度表面层,且符合表面弹性本构关系,不可避免地 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • 力学所斜爆轰波燃烧机理研究取得进展
    爆轰波是一种特殊的燃烧波,主要特点是利用激波压缩实现自点火,并在高压下快速放热。作为最迅速的燃烧方式,在发动机中组织爆轰燃烧成为一个困难重重但是极具吸引力的想法,获得了国际学术界的广泛关注。最近几十年,研究者提出了多种基于爆轰燃烧的发动机解决方案,其中斜爆轰冲压推进不仅具有燃烧迅速、热循环效率高的优 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • 传统理论应用于纳米系统的困难:看格林菲斯理论对纳米尺度结构的适用性
    当将宏观理论应用到微纳米系统时,它们的可适用性通常受到质疑。这种质疑源自这样一个事实:某些物理量在大尺寸结构下和小尺度体系中的性质以及产生的作用可能发生显著变化;在表面张力帮助下,一只蚊子可以轻松停在水面上,但我们不会指望一头水牛站在水面上。诺贝尔物理奖得主理查德˙费曼于1959在加州理工学院的演讲 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • 力学所建成高能冲击磁控溅射装备系统并开放服务
    表面工程提高材料摩擦磨损、耐腐蚀性能的同时,还赋予材料新的表面功能,为解决人类发展中遇到的资源、能源等问题起到了不可替代的重要作用。作为表面工程领域的重要分支,我国亟需提升物理气相沉积(PVD)的技术能力。高能冲击磁控溅射技术(High Power Impulse Magnetron Sputter ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23
  • “澜沧江如美水电站滑坡与泥石流风险评价及治理技术研究”研讨会在力学所举行
    “澜沧江如美水电站可研阶段滑坡与泥石流风险评价及治理技术研究”研讨会及项目签约仪式于2014年11月4日在中科院力学研究所举行。会议由中国科学院力学研究所和中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司(以下简称“贵阳院”)联合主办。出席研讨会的有贵阳院杨家修副院长、范福平副院长兼总工、慕洪友分院副院长兼如 ...
    本站小编 Free考研 2020-05-23