摘要：从健康监测器、智能手表到可折叠手机和便携式太阳能电池板，对柔性电子产品的需求正在快速增长。但这些设备的耐用性——它们能否承受数千次折叠、弯曲和卷曲——是一个值得关注的问题。

布朗大学工程学院的研究人员发现了柔性电子设备中破坏性裂缝如何形成以及如何防止这些裂缝的新细节。

从健康监测器、智能手表到可折叠手机和便携式太阳能电池板，对柔性电子产品的需求正在快速增长。但这些设备的耐用性——它们能否承受数千次折叠、弯曲和卷曲——是一个值得关注的问题。

布朗大学工程师的最新研究揭示了多层柔性电子设备中裂纹形成的惊人细节。研究团队表明，设备脆弱的电极层中的细小裂纹，会在电极所在的更坚韧的聚合物基底层中形成更深、更具破坏性的裂纹。这项研究推翻了长期以来聚合物基底通常不易开裂的假设。

“柔性电子设备中的基板有点像房子的地基，”布朗大学工程学教授、该研究的通讯作者、发表在 《npj 柔性电子学》上的尼廷·帕杜尔 (Nitin Padture) 说道。“如果基板出现裂缝，就会损害整个设备的机械完整性。这是首次明确证据表明，设备基板上的脆性薄膜会导致基板开裂。”

柔性电子产品中使用的层具有特定的功能。顶层负责在表面导电，以维持设备运行。该层通常由特殊的陶瓷氧化物材料制成，因为它们透明且导电性良好，这对于显示屏、传感器和太阳能电池等设备至关重要。但陶瓷易碎且易开裂，因此基板的作用是增加一定的韧性。基板通常由高柔韧性且抗开裂的聚合物材料制成。

在使用这些材料制造柔性太阳能电池的过程中，布朗大学材料科学博士后研究员阿努什·兰卡（Anush Ranka）对疲劳降低性能的机制越来越感兴趣。他决定仔细研究开裂过程。

为了进行这项研究，Ranka 使用各种类型的陶瓷电极和聚合物基底制作了小型实验装置。然后，他对它们进行了弯曲测试，并使用强大的电子显微镜检查了裂纹。在发现陶瓷层出现裂纹的地方，他使用聚焦离子束（一种纳米级喷砂机）蚀刻掉陶瓷，露出了陶瓷裂纹正下方的基底。

研究表明，陶瓷层中的裂纹通常会在基底中形成更深的裂纹。这种现象在陶瓷和聚合物组合中均有发生，表明这是柔性电子产品中一种常见且令人惊讶的失效机制。研究人员表示，一旦聚合物深处出现裂纹，它们就会成为永久性的结构缺陷。随着反复弯曲，这些裂纹会变宽、错位或被碎屑填充，从而阻止陶瓷裂纹面重新连接。这会导致电阻增加，器件性能下降。

研究人员与布朗大学工程学教授、理论与应用力学专家 Haneesh Kesari 以及固体力学博士生 Sayaka Kochiyama 合作，分析了这一开裂问题。他们发现，两层材料的弹性特性不匹配导致了基底的深层开裂现象。对开裂机制的理解使团队找到了一个潜在的解决方案：在陶瓷和基底之间添加第三层材料，以缓解弹性特性的不匹配。

“我们创建了一张设计图，识别出数百种聚合物，这些聚合物在合适的厚度下，可以潜在地缓解这种弹性失配，并防止各种电极-基底组合出现开裂，”布朗大学可持续能源倡议负责人帕杜尔说道。“利用这张设计图，我们能够为第三层选择一种特定的聚合物，并通过实验证明了我们方法的可行性。”

研究人员希望该设计图能够制造出更耐用的设备。然而，同样重要的是，他们发现裂缝确实会影响聚合物基底——这一事实在这项研究之前并不明显。

“我们本质上解决了一个人们从未意识到的问题，”帕杜尔说。“我们认为这可以显著提高柔性设备的循环寿命。”

布朗大学、耶鲁大学和罗马第二大学的其他研究人员也参与了这项工作。

该研究得到了美国能源部（DE-EE0009511、DE-SC0025180）、美国国家科学基金会（DMR-2102210、CBET-2315077、DGE-2139841）和海军研究办公室（N00014-21-1-2851、N00014-24-1-2200、N00014-21-1-2054）的支持。

资料来源：布朗大学

来源：小象科技论