基于光刻控制中性层的柔性聚合物表面金属纳米裂纹制造研究

Cracks are often considered material failures and undesirable, and people attempt to prevent the crack formation in general. However, cracks have recently been re-recognized on the positive side and exploited for the fabrication of ultrasensitive flexible sensors. The sensors basically comprise a metal film with nanoscale cracks deposited on a flexible polymer substrate. The crack-based flexible sensors can be used for many applications, such as personal healthcare and electronic skin. Fabrication of metal nanoscale cracks is crucial in developing a crack-based flexible sensor. However, the pattern of nanoscale cracks by the previously reported methods is less controllable. Besides, a few methods have limits on the type of metal materials, and are based on a weak interfacial interaction between the metal film and the flexible polymer substrate. Here we present an innovative method for the fabrication of metal nanoscale cracks on a flexible polymer substrate based on photolithography-controlled neutral plane. The pattern of nanoscale cracks can be precisely controlled by a simple photolithography process. Moreover, this method has no limits on the type of metal materials and the interfacial interaction between the metal film and the flexible polymer substrate. In this project, the mechanism for nanoscale crack formation will be discovered, new nanoscale crack fabrication processes will be developed, the effects of the pattern of nanoscale cracks on the performances of the flexible sensor will be systematically studied, and several kinds of crack-based flexible sensors will be fabricated and their applications will be exploited. The achievements of this project will contribute to the advancement of the field of flexible electronics, and also have great significance in theories and applications for many other fields including nanofabrication technologies.

裂纹通常被认为是材料发生了破坏失效，因此人们总是设法避免裂纹的产生。然而，最近人们试图从积极的一面重新认识裂纹，并提出利用裂纹制造具有超高灵敏度的柔性传感器。这类传感器的基本结构是在一种柔性聚合物表面上制造出带有纳米裂纹的金属薄膜，在人体健康监测、电子皮肤等方面具有广阔应用前景。本项目以基于裂纹的柔性传感器为研究对象，针对现有纳米裂纹制造方法在图形可控性、金属薄膜材料种类和金属薄膜与柔性聚合物界面结合力等方面存在的局限性，提出一种基于光刻控制中性层的柔性聚合物表面金属纳米裂纹制造新方法。该方法不仅可以精确控制纳米裂纹的图形，而且在金属薄膜材料种类和界面结合力等方面不受限制。项目将阐明纳米裂纹产生的机理，建立纳米裂纹制造的新工艺，揭示纳米裂纹图形对于传感器性能的影响规律，并开展多种基于裂纹的柔性传感器制造及应用研究。成果将促进柔性电子领域发展，对于纳米制造等领域也具有重要理论意义和应用价值。

裂纹通常被认为是材料发生了破坏失效，因此人们总是设法避免裂纹的产生。然而，最近人们试图从积极的一面重新认识裂纹，并提出利用裂纹制造具有超高灵敏度的柔性传感器。这类传感器的基本结构是在一种柔性聚合物表面上制造出带有纳米裂纹的金属薄膜，在人体健康监测、电子皮肤等方面具有广阔的应用前景。本项目以基于裂纹的柔性传感器为研究对象，针对现有的金属纳米裂纹制造方法在图形可控性、金属薄膜材料种类和金属薄膜与柔性聚合物界面结合力等方面存在的局限性，提出了一种基于光刻控制中性层的柔性聚合物表面金属纳米裂纹制造新方法。该方法不仅可以精确控制纳米裂纹的图形，而且在金属薄膜材料种类和界面结合力等方面不受限制。项目阐明了纳米裂纹产生的机理，建立了纳米裂纹制造的新工艺，揭示了纳米裂纹图形对于传感器性能的影响规律，开展了多种基于裂纹的柔性传感器制造及应用研究。例如，研制了一种以聚二甲基硅氧烷为衬底的纳米裂纹柔性应变传感器，在0~1.2%的应变范围内，其应变灵敏系数（gauge factor, GF）达到了20000，是目前相同应变范围内最高的检测灵敏度。利用该应变传感器，开展了脉搏波、呼吸等多种人体体征的健康监测研究。再如，研制了一种基于纳米裂纹的仿生力传感器，首次实现了纳牛级的力分辨率（72.2纳牛）。由于该传感器具有超高的灵敏度，甚至可以感知自身相对于重力的倾斜方向，类似于人耳的前庭系统，因此项目组又基于该传感器，制作出了一种可以实时监测人体姿态和运动的全集成智能发带。再如，研制了一种超灵敏的具有环境鲁棒性的多功能柔性电子皮肤。基于一种裂纹局域图形化工艺，在聚酰亚胺薄膜表面集成了温度传感单元和纳米裂纹应变传感单元（GF=87.2），而且通过巧妙的结构设计，使得该电子皮肤同时测量到的温度和应变量能够精确解耦。另外，通过封装工艺使得该电子皮肤可以在超宽的温度范围（-20C ~250C）、高湿度和酸、碱、盐溶液等恶劣环境中长期使用。项目组共发表SCI收录论文15篇，其中JCR一区8篇；申请发明专利10项，其中已授权5项。