北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组日前在MEMS领域重要期刊《Journal of Micromechanics and Microengineering》期刊上发表文章《用于2D&3D可拉伸电子器件的局部杨氏模量可控的聚二甲基硅氧烷衬底》(Localized modulus-controlled PDMS substrate for 2D&3D stretchable electronics，https://doi.org/10.1088/1361-6439/ab5ec0)， 2017级博士研究生缪立明为论文第一作者，张海霞教授为本文通讯作者。

【引言】可拉伸电子器件在可穿戴器件和电子皮肤的应用中具有重要的意义。机械可拉伸性和导电性能的平衡与提高是制约可拉伸电子器件技术进一步发展的重大挑战。为了获得可拉伸的电子器件，选择合适的衬底是关键，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）以其易制备和低成本的优势成为最常用的聚合物。本文提出了一种新的策略——制备局部可控杨氏模量的PDMS作为二维/三维可拉伸电子器件的衬底。利用二次交联效应，通过旋涂不同质量的固化剂，可以提高和控制PDMS的杨氏模量。利用聚酰亚胺（PI）掩模，用户可以自定义杨氏模量增强区域。通过这种简单的方法，当结构层被拉伸时，可以很好地保护功能性导电（金/银纳米线/还原氧化石墨烯）薄膜材料等，并且可以解决在一块基板上的多材料薄膜（不同材料薄膜具有不同拉伸特性）的“木桶效应”。此外，与均匀PDMS相比，局部改性PDMS可以通过预拉伸和释放过程在其上形成不同的三维屈曲结构，为三维屈曲结构的控制提供了新的途径。

【图文导读】

图1 （a）线弹性PDMS预聚体与固化剂的结构式以及低交联与高交联反应；（b）PDMS上特定区域杨氏模量增强示意图；（c）局部杨氏模量增强PDMS的拉伸有限元仿真及实物图；（d）基于局部杨氏模量可控PDMS的三维屈曲结构。

图2 （a）固化剂的不同旋涂转速对应的PDMS的应力应变曲线；（b）在0-0.3MPa时应变-应力曲线的放大线性部分；（c）PDMS的杨氏模量与固化剂旋涂转速的关系；（d）固化剂的不同处理时间对应的PDMS应变-应力曲线；（e）在0-0.3MPa时应变-应力曲线的放大线性部分；（f）PDMS的杨氏模量随固化剂处理时间的变化。

图3 （a）在杨氏模量增强区域制备不同的导电薄膜并进行拉伸测试；金（b）、银纳米线（d）、还原氧化石墨烯（f）制备的薄膜在拉伸前（b、d、f）后（c、e、g）的SEM照片。

图4 基于局部杨氏模量增强PDMS衬底的导电薄膜拉伸电阻测试。（a）金；（b）银纳米线；（c）还原氧化石墨烯。

图5 多材料薄膜于同一衬底的拉伸电阻测试。对于不同材料区域的杨氏模量进行不同的调控。

图6 基于局部杨氏模量调控之后的3D屈曲结构的加工。（a-c）单轴预拉伸得到的不同3D屈曲结构；（d-g）双轴预拉伸得到的不同3D屈曲结构。

【总结】这项工作介绍了一种简单的局部控制PDMS杨氏模量的方法，且该方法适用于制备2D和3D可拉伸电子器件。PDMS的局部改性可以有效地解决基于PDMS衬底的导电薄膜拉伸时的断裂问题。此外，通过选择性地提高不同功能材料对应的不同区域的模量，可以避免PDMS基板上多种材料薄膜的不同拉伸导电性的“木桶效应”。同时，该方法也为可拉伸三维结构的建立和控制提供了一种新的途径。通过改变释放区的模量，屈曲程度也可以控制地改变。该工作着重研究如何对最常用的柔性衬底之一——PDMS本身进行改性，并分析了二维导电薄膜的拉伸性能或3D屈曲结构的形状与PDMS特定区域的模量增强程度之间的关系，在可伸缩电子学中显示出巨大的应用潜力。

相关研究得到国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、北京市科技计划、北京市自然科学基金等项目的支持。

【文章链接】Liming Miao, Hang Guo, Ji Wan, Haobin Wang, Yu Song, Haotian Chen, Xuexian Chen and Haixia (Alice) Zhang, Localized modulus-controlled PDMS substrate for 2D&3D stretchable electronics,  Journal of Micromechanics and Microengineering, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6439/ab5ec0