過去幾十年，硅基電子學(xué)在小型化、高集成度和高速度方面取得了巨大的成功。但是，傳統(tǒng)的電子學(xué)器件是基于平面結(jié)構(gòu)的，具有不可彎折、不可拉伸的缺點，這在很大程度上限制了電子器件的應(yīng)用。近二十年發(fā)展起來的柔性電子學(xué)和最近剛剛興起的可拉伸電子學(xué)為人們帶來了全新的概念，使得電子學(xué)器件可以應(yīng)用在許多對“整合性”要求比較高的領(lǐng)域，比如醫(yī)學(xué)移植、智能服裝、人工智能、仿生材料等。
圖1 (a) CNT/PDMS透明彈性導(dǎo)體的制備流程，(b,c,d) CNT/PDMS彈性導(dǎo)體的光學(xué)照片，顯示其柔韌性和透明性，(e) CNT/PDMS
彈性導(dǎo)體（圖(d)所示樣品）在400 nm-1000 nm范圍內(nèi)的透光率。
圖2 (a) CNT/PDMS透明彈性導(dǎo)體在反復(fù)拉伸應(yīng)變下的電阻變化（拉伸500次）；(b) (a)圖中矩形框內(nèi)的放大圖；(c)把CNT/PDMS彈性導(dǎo)體（0應(yīng)變）作為連接導(dǎo)線接入LED電路；(d)拉伸應(yīng)變?yōu)?0%時，LED燈亮度沒有明顯的變化。
彈性導(dǎo)體可以被用作可拉伸電子學(xué)的連接導(dǎo)線和電極材料，是實現(xiàn)可拉伸電子學(xué)器件的關(guān)鍵部件。目前，人們獲得彈性導(dǎo)體的方式主要有兩種：一方面，特殊的結(jié)構(gòu)和構(gòu)型，比如波浪形和蛇形納米線可以使傳統(tǒng)的金屬材料和半導(dǎo)體材料承受一定程度的拉伸應(yīng)變；另外一方面，許多新材料，比如碳納米管、石墨烯、高聚物等本身就具有可拉伸性能。碳納米管具有獨特的一維特性和優(yōu)異的力電性能，是制備彈性導(dǎo)體的理想材料。
中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究組，多年來一直致力于碳納米管薄膜的制備、物性與應(yīng)用研究，取得了系列成果（Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano Lett. 2009, 9, 2855; Nanoscale 2011, 3, 3731; Nano Lett. 2011, 11, 4636; Energ. Environ. Sci. 2011, 4, 1440）。最近，在以往工作的基礎(chǔ)上，該研究組解思深院士指導(dǎo)的博士生蔡樂等人，充分利用直接生長的自支撐柔性碳納米管薄膜的高電導(dǎo)率、高力學(xué)強度、高透光率特點以及獨特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，采用一種無損的聚合物包埋的方法，制備出了一種具有高透光率、高電導(dǎo)率、高彈性伸長量的彈性導(dǎo)體，并從原理上實現(xiàn)了基于這種彈性導(dǎo)體的可拉伸電路。
聚合物包埋的方法不需要引入離子液體等分散劑，也無需對碳管進行超聲分散處理，具有簡單易行、環(huán)保無損的優(yōu)點，非常適合直接生長的單壁碳納米管薄膜（Nano. Lett. 2007, 7, 2307）。研究人員制備出的彈性導(dǎo)體集碳納米管薄膜和彈性體聚合物的優(yōu)點于一身，具有很好的透光性、導(dǎo)電性和可拉伸性能：可見光透光率高達60%，同時面電阻只有幾十歐姆；在受到高達50%的反復(fù)拉伸應(yīng)變時，可以保持良好的、穩(wěn)定的導(dǎo)電性。他們認(rèn)為，如此好的可拉伸性能一方面來源于碳納米管獨特的一維特性，另一方面聚合物的引入可以有效地減弱應(yīng)力集中、保持碳納米管薄膜在電學(xué)上的完整性。
這種高導(dǎo)電性的透明彈性導(dǎo)體不僅可以作為可拉伸電子學(xué)的連接導(dǎo)線，而且可以作為可拉伸的光電子器件和儲能器件的電極材料，在柔性電子學(xué)和可拉伸電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201201013)上。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和北京市教委項目的支持。
圖1 (a) CNT/PDMS透明彈性導(dǎo)體的制備流程，(b,c,d) CNT/PDMS彈性導(dǎo)體的光學(xué)照片，顯示其柔韌性和透明性，(e) CNT/PDMS
彈性導(dǎo)體（圖(d)所示樣品）在400 nm-1000 nm范圍內(nèi)的透光率。
圖2 (a) CNT/PDMS透明彈性導(dǎo)體在反復(fù)拉伸應(yīng)變下的電阻變化（拉伸500次）；(b) (a)圖中矩形框內(nèi)的放大圖；(c)把CNT/PDMS彈性導(dǎo)體（0應(yīng)變）作為連接導(dǎo)線接入LED電路；(d)拉伸應(yīng)變?yōu)?0%時，LED燈亮度沒有明顯的變化。
彈性導(dǎo)體可以被用作可拉伸電子學(xué)的連接導(dǎo)線和電極材料，是實現(xiàn)可拉伸電子學(xué)器件的關(guān)鍵部件。目前，人們獲得彈性導(dǎo)體的方式主要有兩種：一方面，特殊的結(jié)構(gòu)和構(gòu)型，比如波浪形和蛇形納米線可以使傳統(tǒng)的金屬材料和半導(dǎo)體材料承受一定程度的拉伸應(yīng)變；另外一方面，許多新材料，比如碳納米管、石墨烯、高聚物等本身就具有可拉伸性能。碳納米管具有獨特的一維特性和優(yōu)異的力電性能，是制備彈性導(dǎo)體的理想材料。
中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究組，多年來一直致力于碳納米管薄膜的制備、物性與應(yīng)用研究，取得了系列成果（Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano Lett. 2009, 9, 2855; Nanoscale 2011, 3, 3731; Nano Lett. 2011, 11, 4636; Energ. Environ. Sci. 2011, 4, 1440）。最近，在以往工作的基礎(chǔ)上，該研究組解思深院士指導(dǎo)的博士生蔡樂等人，充分利用直接生長的自支撐柔性碳納米管薄膜的高電導(dǎo)率、高力學(xué)強度、高透光率特點以及獨特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，采用一種無損的聚合物包埋的方法，制備出了一種具有高透光率、高電導(dǎo)率、高彈性伸長量的彈性導(dǎo)體，并從原理上實現(xiàn)了基于這種彈性導(dǎo)體的可拉伸電路。
聚合物包埋的方法不需要引入離子液體等分散劑，也無需對碳管進行超聲分散處理，具有簡單易行、環(huán)保無損的優(yōu)點，非常適合直接生長的單壁碳納米管薄膜（Nano. Lett. 2007, 7, 2307）。研究人員制備出的彈性導(dǎo)體集碳納米管薄膜和彈性體聚合物的優(yōu)點于一身，具有很好的透光性、導(dǎo)電性和可拉伸性能：可見光透光率高達60%，同時面電阻只有幾十歐姆；在受到高達50%的反復(fù)拉伸應(yīng)變時，可以保持良好的、穩(wěn)定的導(dǎo)電性。他們認(rèn)為，如此好的可拉伸性能一方面來源于碳納米管獨特的一維特性，另一方面聚合物的引入可以有效地減弱應(yīng)力集中、保持碳納米管薄膜在電學(xué)上的完整性。
這種高導(dǎo)電性的透明彈性導(dǎo)體不僅可以作為可拉伸電子學(xué)的連接導(dǎo)線，而且可以作為可拉伸的光電子器件和儲能器件的電極材料，在柔性電子學(xué)和可拉伸電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201201013)上。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和北京市教委項目的支持。
