基于柔性衬底的结构化表面由于其表面自由能的松弛作用，对金属电极的柔韧性产生积极的影响，使其柔韧性满足柔性电子产品的性能要求。然而，可控的柔性基底表面结构的制备仍然是一个艰巨而具有挑战性的过程。
图1.直写印刷可控的凹陷结构表面设计及其金属电极表面能能量耗散下的柔韧性能提升。
近日，齐鲁工业大学孙加振副教授团队基于前期建立的围绕粘弹性基底开展印刷柔性电子结构及其应用体系( Journal of Materials Chemistry C 2022, 10, 25: 9441-9464. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2023, 231, 113571. Sensors and Actuators: A. Physical 2023, 351, 114161. ACS Applied Electronic Materials 2023, 5, 3:1429-1436. Langmuir 2024, 40, 12:6571-6581.)，在本研究中，采用在粘弹性基底上直写印刷的方法制备了柔性基底的可控凹陷结构。在柔性基底上的可控凹陷结构表面上蒸发纳米金属层，可以得到具有可控凹陷结构的各种金属电极。直写印刷制备的凹陷结构有效地提高了金属电极的柔韧性。当所制备的凹陷结构在印刷间距为0.1 mm时形成连续的贯通结构，金属电极的柔韧性得到突破性的增强，其内折柔韧性达到93.72 %，外折柔韧性达到93.67 %，拉伸程度达到85 %，循环弯曲次数超过12000次。同时，直写印刷的凹陷结构也形成了凸起结构表面，这种凸起结构可以作为柔性压力传感器用于高灵敏压力传感，如图1所示。因此，本研究工作为柔性电极的制备提供了一种有效的方法，在高性能柔性电子领域具有重要的研究和应用价值。
作者通过在粘弹性的PDMS上进行不同间距的直写印刷，得到具有不同形貌的柔性基底（图2）。作者在柔性基底上设置的印刷间距分别为0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.15 mm、0.12 mm和0.10 mm，得到不同凹陷结构表面的柔性金属电极进行纳米级银金属层蒸发前后的图像并进行对比，同时对其电学柔韧性进行相关测试。数据以百分比记录为L 0-L 1/L 0，金属电极原始长度为L 0，被弯折或拉伸后的金属电极长度为L 1（图3）。
除了肉眼可见的差异。这些具有不同凹形结构的样品被视为柔性金属电极，其电学性能也表现出更显著的差异。结果显示微纳米凹陷结构显著提高了金属电极的弹性模量，使其在电学性能几乎不受影响的前提下，柔韧性大大增强。表面具有凹陷结构的金属电极在各种弯曲过程中都能保持良好的导电性和维持电路循环。
图4.基于直写印刷可控凹陷结构的逆向结构制备柔性传感器用于高灵敏压力和应力感知。
通过直写印刷可控制备印刷间距为0.10 mm的凹陷结构表面金属电极呈现出反凸起表面可以用于压力传感，作者将其与恒流源连接，将其在各种应用中用作柔性压力传感器，对压力和弯曲产生电流响应。作者展示了这种金属电极在向内弯曲、向外弯曲、贴附手指弯曲试验、脉搏检测、铁盒铰链不同开合速度下的角度感知、放置10.635 g的笔时，流经这种柔性金属电极的电流变化（图4）。这表明金属电极在手指弯曲、脉冲跳动和铁盒铰链不同开合速度的角度感知过程中，能够表现出对压力和弯曲显著的灵敏感知能力。通过0.10 mm印刷间距制备的微纳米贯通结构表面可以消除金属应力，确保稳定的导电性。
值得注意的是，在角度感知测试中，金属电极能在0.1 s内快速响应表现出灵敏度显示。作者将所述的压力传感装置附着在一根手指上，用于传感重10.635 g的圆珠笔。在有弹性的手指放置物体的过程中，可以清楚地观察到对力变化的精细感知。
基于PDMS柔性基底的金属电极由于表面凹陷结构的存在，可产生较大的表面自由能松弛。随着结构化表面的力学行为，表面自由能松弛对金属电极弹性模量的提高有显著的作用。在金属电极的机械变形过程中，结构表面的柔韧性作用会成比例地增强，尤其是当金属电极的尺寸减小到纳米级时。在一些关于纳米银线的研究中，通过开云网址 kaiyun官方入口增加表面体积比和表面配位原子的影响，将弹性模量的变化归因于这一因素。这些研究表明，金属电极可以在表面原子中产生自由能，而内部晶格原子的配位降低。因此，表面自由能可以作为一个可控因素，通过制备结构化表面来提高弹性模量，从而提高金属电极的柔韧性。当结构面变形效应成比例增大时，相关表面能弛豫也随结构面增大
图5.可控微纳结构金属柔性电极制备柔性传感器力学感知灵敏度及感知范围特征研究。
作者对这种由柔性金属电极组成的压力传感器的灵敏度进行检测,灵敏度由三个区域组成(图5a)。当施加压力小于0.083 KPa时，压力传感器的灵敏度S 1=40.50 KPa −1。当施加的压力范围为0.08-0.481 KPa，压力传感器的灵敏度为S 2=7.29 KPa −1。当施加的压力大于0.481 KPa时，ΔI/I 0几乎没有变化，器件的灵敏度响应达到极限。
压力传感传感器的特点是由金属层及其内部结构的变形引起的电阻变化。柔性传感器可以像皮肤一样附着在柔软的物体上，随着柔性传感器的不同变形，可以产生不同的压力水平。在压力传感中，评估表面曲率对压力传感器的影响是至关重要的。在图5b中，作者研究了柔性压力传感器弯曲角度对电导率变化的影响。电导率的变化表明，电导率随传感器弯曲角度的增大而减小表面具备的凹陷结构增加了金属电极的弹性模量，该研究中所制备的压力传感器具有优越的性能。
小结：本研究在粘弹性基底通过直写印刷的方式制备微纳米得到凹陷结构并蒸镀纳米级金属层，大大提高了金属电极的柔韧性。印刷间距为0.1 mm时制备的金属电极表面的凹陷结构实现了贯穿，在弯折时有更多的面积可以耗散多余的能量，大大降低了弯折对金属电极表面造成的损耗，向内弯曲柔韧性高达93.72 %，向外弯曲柔韧性达93.67 %，在85 %的拉伸程度下Kaiyun体育官方网站 开云登录网站依然保持稳定的导电性，电学性能在循环弯折超过12,000次依然几乎不受影响。由于凹陷结构的存在而产生的凸出结构使得金属柔性电极可以作为柔性压力传感器，用于感应手指弯曲、脉冲脉动和角度感知测试。在角度感知测试中，金属电极的响应灵敏度可达0.1 s，压力传感器的灵敏度可达40.05 KPa −1。这种凹陷结构可以提供细应变的感知，在柔性电子领域具有广泛的应用
王坤同学，是齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工学部/生物基材料与绿色造纸国家重点实验室2021级本科生，就读于印刷工程专业，大二开始进入孙加振老师实验室开展科研训练和研究工作，期间参与发表SCI论文Langmuir 2024, 40, 12:6571-6581.第一作者发表SCI论文Surfaces and Interfaces 2024, 51, 104573. 主持齐鲁工业大学大学生创新创业训练计划重点项目，山东省大学生创新创业训练计划项目（已结项并获评优秀、全校共10人），同时，在孙加振老师指导下在各类全国、省级等大学生科技竞赛项目中获得一等奖等名次。
孙加振，博士，副教授，硕士生导师，山东省高校青创团队带头人，分别于曲阜师范大学、北京印刷学院、北京航空航天大学获得印刷工程专业、材料物理与化学专业、材料物理与化学专业学士、硕士、博士学位，2017年10月就职于齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工学部/生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，致力于印刷微纳结构研究，用于制造绿色产品、功能器件及组织器官等。在Adv Mater, ACS Appl Mater Inter, Nanoscale, J Mater Chem C, Appl Surf Sci, Colloid Surface A, Sensor Actuat A, Langmuir等期刊发表28篇SCI论文，被引用899次，H指数15。申请9件发明专利，授权4件，转让1件。主持国家自然科学基金青年基金，山东省重点研发计划公益性科技攻关类，山东省高等学校青年创新团队发展计划等科研项目。
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