具有二維石墨烯夾層的堅固耐用的柔性電極

【導讀】：可以透過在金屬和柔性基板之間新增原子層薄的中間層（例如石墨烯）來提高金屬薄膜電極的電氣和機械強度。

柔性電極（導電的電子元件）對於眾多可穿戴技術（包括智慧手錶，健身追蹤器和健康監測裝置）的開發至關重要。理想情況下，可穿戴裝置內部的電極在拉伸或變形時應保持其電導率。

迄今為止開發的許多柔性電極是由置於彈性基底上的金屬薄膜製成的。儘管這些電極中的一些是柔性的並且導電良好，但有時金屬膜會破裂，這可能會導致突然斷電。

伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的研究人員最近推出了一種新設計，該新設計可以開發出應變彈性的柔性電極，即使在拉伸或變形時也能導電。在《Nature Electronics》上發表的一篇論文中概述了這種設計，其中涉及引入一個薄的二維（2-D）中間層，該中間層降低了斷裂的風險並保留了金屬膜的電連線。

研究人員工作的藝術概念性影象顯示了2D夾層能夠使金屬薄膜延遲/曲折地開裂，而金屬2D互連器整合的柔性發光器件的影象也是如此。

SungWoo Nam說："我們有興趣解決軟電極意外，完全斷電這一未解決的挑戰，這種挑戰通常是在使用過程中不可避免的機械斷裂發生後普遍發生的，這嚴重限制了軟/可穿戴電子裝置的使用壽命。" "我們的工作首次透過改變金屬薄膜的斷裂行為來顯示金屬薄膜本身具有應變的拉長電導（類似於機械延性，稱為"電延性"，它描述了應變引起的形變伸長）。底層的2D中間層。"

Nam和他的同事發現，將原子稀薄的二維夾層（例如石墨烯）插入薄膜金屬電極中，可以降低斷裂的風險，並提高電極在不同程度的應變下的導電能力，他們稱之為它的電延展性。發生這種情況是因為二維材料中的強和弱範德華相互作用引起了獨特的屈曲變形，從而延遲了對電極金屬薄膜的損壞。

具有原子薄的2D中間層的堅固的薄膜電極：

a，彎曲變形期間薄膜中的應力的示意圖。裂紋開始在外表面上發展，並受到拉應力。b，c是裸金屬電極（b）和金屬2D層間電極（c）上不同裂紋擴充套件模式的示意圖。對於裸露的金屬薄膜，會形成直的裂紋，從而使導電路徑電氣斷開。使用金屬二維夾層電極時，會形成彎曲/曲折的裂紋，並保持電連線。紅色箭頭表示電子（e –）的傳導路徑。

與裸金屬電極相比，夾層電極在電失效之前的允許應變提高了400％，研究人員還表明該方法可用於建立柔性電致發光器件。之前已經透過使用蛇形圖案金屬和金屬奈米線滲濾網路來製造可拉伸金屬電極。但是這種二維（2D）中間層技術為可伸縮金屬電極的開發提供了獨特的方法。

Nam說："由此產生的'受控'的金屬薄膜開裂能夠顯著增強/增強導電性。" "我們的2-D夾層方法不僅限於金屬和2-D材料的某些組合，而且還強調了不同的實用策略，可以提高當前可穿戴電子應用中使用的各種金屬基元件的機電可靠性，這可以對可穿戴電子行業產生積極影響。"

Nam和他的同事們介紹的設計可以應用於各種基於金屬薄膜的電極。在他們的研究中，研究人員透過使用它來建立柔性電致發光二極體（LED）器件，證明了其方法的可行性。值得注意的是，他們發現，在多峰變形下，他們的策略可以顯著提高常用電極的機電魯棒性（即，其電阻減小几個數量級，並擴充套件穩定電阻的範圍）。

將來，這項工作可能會對新電子產品的開發產生重大影響。更具體地說，他們的新電極設計可用於製造各種更耐用，效能更好的可穿戴裝置。

Nam說："人們正在使用基於金屬膜的電氣元件（例如，柔性電極和互連線）從事柔性/可穿戴電子產品的研究，對此我們尤其感興趣。" "我們有興趣將我們的概念擴充套件到其他各種導電材料，並研究我們方法的可擴充套件性及其對柔性/可穿戴電子產品的潛在影響。"

總結：

該方法為製造用於電子產品的柔性電極提供了有效的解決方案，該電子器件會經受頻繁且中等的機械變形，例如彎曲和扭曲。它在可伸縮和可穿戴電子應用的未來發展中可能會發揮重要作用，包括生物可植入電極，人體感測器網路和人機介面。

參考論文：

Strain-resilient electrical functionality in thin-film metal electrodes using two-dimensional interlayers. Nature Electronics(2021). DOI: 10.1038/s41928-021-00538-4.