《Materials Today》：基于透氣聚合物納米網襯底上的可清洗、可拉伸、可重復使用的核殼金屬納米線網絡的電子器件（IF=24.269）

發(fā)布日期：2024-10-12瀏覽次數：165

背景：

最近，為了最大限度地減少用戶的不適，人們開發(fā)了基于聚合物納米纖維的多孔結構，稱為“透氣器件”。盡管這些器件能夠與皮膚保形結合，并具有透氣性，但它們的性能和耐用性明顯低于傳統(tǒng)的基于薄膜的設備。在這項研究中，使用光子燒結和電鍍(IPL-EP)工藝在納米網格基底上制造了一種超耐用的嵌入式銀-金核殼納米線網絡(AANN)。AANN旨在實現透氣性和耐用性，而不會犧牲器件性能。它可用于透氣納米網格電子產品，并表現出低薄層電阻(1.4Ωsq^-1)、循環(huán)穩(wěn)定性(超過20,000次循環(huán))、化學品穩(wěn)定性(水基溶液和高腐蝕性H₂O₂溶液)、可洗性(20次洗滌)和可重復使用性。此外，它還用于可重復使用的導電電子紡織品，并展示了其作為可重復使用的應變傳感器（用于運動檢測）和可穿戴加熱器（用于熱療）的應用。此外，基于AANN的導電線具有出色的電氣性能（0.3Ωcm^-1）和耐用性，并且在50次洗滌循環(huán)后仍能保持其電氣特性。所提出的工藝可以大規(guī)模制造高度耐用的透氣電子產品、電子紡織品和其他生物醫(yī)學設備。

文獻介紹：

已經開發(fā)出具有多種功能的可穿戴設備和電子皮膚，用于在日常運動中監(jiān)測生命信號，而不會給用戶帶來任何不便?？纱┐髟O備的共形集成（與人體皮膚）和透氣性對于最大限度地減少用戶不適非常重要。共形集成可減輕身體壓力，而透氣性可防止器件與皮膚接觸區(qū)域的皮膚炎癥。因此，基于聚合物納米纖維網狀物的多孔裝置（“可透氣裝置”）被認為是一種先進的可穿戴器件，并引起了廣泛關注。透氣裝置概念最初由Someya的研究小組于2017年提出；它與人體皮膚和計算機界面共形集成，具有出色的透氣性。這一概念啟發(fā)了許多關于可穿戴設備的研究，近年來對透氣設備的研究興趣也日益增加。然而，由于結構限制，此類設備的耐用性和電氣性能較差。與傳統(tǒng)的二維(2D)平面薄膜基底相比，透氣裝置是在相對粗糙且不規(guī)則堆疊的三維(3D)聚合物納米纖維網狀結構上制造的。在真空沉積或制造過程中，很容易在納米網格基底表面形成不均勻且離散的活性層。該層很容易因動態(tài)運動而破裂，從而導致器件故障。

傳統(tǒng)上，該問題通過在納米網格基底上沉積溶液分散的金屬納米線來解決，如Wang等人所提出的。金屬納米線之間的纏結和互連彌補了納米網格基底的結構缺陷，因此與2D平面基底相比，器件性能沒有顯著差異。這種方法顯著提高了器件性能，但并沒有提高循環(huán)耐久性。

最近，人們已利用熱退火和光子燒結開發(fā)出一種嵌入和焊接在納米網狀基底上的銀(Ag)納米線網絡，以提高耐用性。然而，這種改進對于實際應用來說仍然不夠。此外，Ag納米線網絡對活細胞有毒，并且由于其高氧化傾向而在生物環(huán)境中具有高度腐蝕性；這個問題在生物醫(yī)學應用中尚未得到解決。在這項研究中，我們開發(fā)了一種生物相容性、可拉伸且超耐用的嵌入式核殼金屬納米線網絡。它的結構限制是使用兩步方法解決的：

(1)使用光子燒結將Ag納米線嵌入納米纖維基質表面以創(chuàng)建錨點

(2)將金(Au)電鍍到嵌入的Ag納米線網絡上。因此，我們制造出了堅固的焊接接頭，可以顯著提高機械、電氣和化學性能。

這種方法被稱為光子燒結和電鍍(IPL-EP)工藝，用于制造嵌入式銀-金核殼納米線網絡(AANN)。電鍍工藝還可用于在銀納米線網絡上創(chuàng)建生物相容性的金外表面，以及納米線網絡的高度堅固的化學連接焊接。AANN表現出優(yōu)異的機械耐久性、化學穩(wěn)定性和生物相容性。此外，即使經過50次洗滌循環(huán)（按照國際標準化組織(ISO)6330程序）和戶外干燥30天后，AANN的性能仍保持不變。這項研究首次展示了透氣設備的可重復使用性及其應用，例如用于熱療的實際導電線和紡織品集成加熱。使用IPLEP制造AANN以及本研究中進行的測試表明，所提出的工藝在可重復使用、超耐用、透氣的電子產品和基于電子紡織品的可穿戴設備中具有巨大的潛在適用性。

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