近日，复旦大学芯片与系统前沿技术研究院在柔性/可拉伸电子异质集成领域取得重要进展，相关成果以题目为“Anti-friction gold-based stretchable electronics enabled by interfacial diffusion-induced cohesion”发表在Nature Communications上。
柔性/可拉伸电子器件与系统能够植入到生物组织、器官或共形贴附在皮肤上，实现可靠地信号感知、传输和处理，可用于临床精准诊疗、人机/脑机接口和仿生机器人等领域。这些可拉伸器件通常由两个基本模块组成：用于信息采集和处理的高模量电学功能模块，以及与生物组织/皮肤机械匹配的低模量可拉伸衬底模块。惰性金属金（Au）与铂由于具有高的本征电导率、良好的化学稳定性和生物无毒性，能够被用于柔性/可拉伸系统的电学功能模块。然而，由于高模量惰性金属模块与低模量衬底模块的异质界面缺乏有效的物理/化学键合机制，导致系统在受到外界干扰（包括动态摩擦、拉伸变形等）时，电学功能模块容易失效。已有的研究工作主要是通过界面结构工程或化学工程策略来增强惰性金属模块在软衬底模块上的界面结合力，但是多数策略的改善效果有限，且可能会破坏系统的结构完整性和电学性能。
针对上述问题，复旦大学芯片与系统前沿技术研究院刘明院士团队提出了一种界面扩散诱导内聚新策略，实现了电学抗外界干扰的可拉伸异质电子器件与系统（图1）。该策略采用亲水性聚氨酯软衬底，其分子链上的含氧基团和微量水分子作为“分子胶水”，能够在Au晶粒-衬底界面润湿并包裹住Au晶粒。通过分子胶水构建的强氢键网络产生的强内聚力，使得相邻Au晶粒能够被牢牢锚定在衬底表面。本文通过深度扫描XPS、温度相关原位FTIR等表征对这一键合策略进行了详细阐释。同时，通过进一步构建纳米粗糙表面结构的水性聚氨酯（RPU），所得到的Au-RPU器件的界面结合强度可到达1243.4N/m，显著高于传统基于PDMS、SEBS或Ecoflex衬底的器件性能。该器件能够在130 kPa压力下经受1022次摩擦后仍然保持良好的导电性，表现出优异的电学可靠性。基于上述设计策略，研究者们开发了电学抗干扰的可拉伸电极用于高保真的生理电信号采集；可拉伸LED电路能够在摩擦时或拉伸、弯折、扭曲等变形时稳定工作；基于可拉伸互连线的压力传感阵列系统，能够稳定检测较大的集中应力。上述研究结果表明本文提出的新策略能够显著提高可拉伸异质电子界面的键合作用，可为柔性/可拉伸电子器件的异质集成与互连奠定基础。
复旦大学芯片院曹杰专任副研究员为论文第一作者，王明青年研究员和刘琦教授为论文通讯作者。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。
图1. 基于界面扩散诱导内聚策略的电学抗干扰可拉伸异质电子器件与系统。
