柔性电子学中的表界面化学

doi:10.7503/cjcu20200644

摘要/Abstract

摘要：

柔性电子作为新兴的研究热点, 涉及材料、化学、物理等多个基础学科的交叉, 以及在生物医用、可穿戴设备及人工智能等多个领域的应用. 柔性电子设备的制造加工过程中会用到弹性基底、导电层、功能层等多种性质各异的材料, 其互相之间的整合受到它们表面性质和界面结合力的限制; 器件的功能、可靠性、对环境的敏感性等也受到了器件表界面性质的影响; 因此, 对材料和器件表界面的处理在柔性电子学中具有重要作用. 本文对柔性电子学中常用的表界面化学过程分为3大类进行介绍: 表面电化学过程, 基于特定化合物反应产生的电流制备电化学传感器, 利用电流/电压控制表面负载化合物; 表面修饰, 通过表面改性提高材料的加工性能, 共价修饰分子层或其它材料赋予器件特殊功能性质或保护层; 不同材料之间的界面连接, 通过共价连接或化学反应辅助的物理交联实现不同材料的结合, 提高柔性器件的稳定性, 实现柔性设备的整合. 对各应用进行总结和举例后, 讨论了存在的问题, 并对未来的发展方向及前景进行了展望.

关键词: 柔性电子学, 电化学传感, 表面修饰, 界面连接

Abstract:

Flexible electronics is an emerging research hotspot， which involves chemistry， physics， mate- rials， etc.. As an interdisciplinary topic， flexible electronics have been used in various fields， such as wea-rable devices， bio-medical applications， artificial intelligence. The fabrication of flexible devices requires the integration of different materials including flexible substrates， conductive materials， and functional components. Their integration is limited by their surface properties and interfacial interactions， their function and reliability are also influenced by the stability of their interfacial bindings. Thus surface and interface treatments， including chemical treatments， are important for fabrication and functionalization of flexible electronic devi-ces. In this review， the application of surface/interface chemistry in flexible electronics will be cataloged into 3 types. Firstly， electrochemical reactions on surface， which are the bases for flexible chemical sensors and can be used to control the loading/release of chemicals on device surfaces. Secondly， surface modification， which can improve the processability of materials by varying their surface properties， and endow the devices with specific properties， functions， or protections. Lastly， interfacial connections， which link different materials and layers through covalent bonding or chemical process assisted physical entanglement， to improve the stability of the whole device. Summary and examples for each type will be given， followed by discussion of existing problems， possible future developments， and application potentials.

Key words: Flexible electronics, Electrochemical sensing, Surface modification, Interfacial connection

中图分类号:

O647

TrendMD:

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图/表 12

Fig.1 Major application types of surface and interface chemistry in flexible electronics

Fig.2 Electrochemical sensing based on enzymatic amperometry and its application in flexible electronics(A) Three electrode detection system; (B) enzyme catalyzed electrochemical sensors; (C) the mechanism of glucose sensor based on glucose oxidase and dye as redox mediator[41]. Copyright 2020, Wiley-VCH; (D) diffusion of reaction intermediates in flexible chemical sensors for flat and curved geometries; (E) stable electrical currents under strain for curved sensors, compared to obvious decrease for conventional flat sensors[56]. Copyright 2020, Wiley-VCH.

Fig.3 Flexible electrochemical sensing based on voltammetry and field effect transistor(A) Voltammetric sensing of neurochemicals based on conductive MOF modified electrodes; (B) simultaneous detection of dopamine and serotonin[63]. Copyright 2020, American Chemical Society; (C) wearable caffeine sensing device and its electrode structures; (D) mechanism of caffeine detection via differential pulse voltammetry[64]. Copyright 2018, Wiley-VCH; (E) a flexible glucose sensor based on field effect transistor[68]. Copyright 2018, American Chemical Society.

Fig.5 On surface electrochemical fabrication of flexible devices[74](A) Electro-gelation of PEDOT∶PSS conductive hydrogel on Cu pattern; (B) mechanism of electro-oxidation of Cu and subsequent PEDOT∶PSS gelation; (C) patterned conductive hydrogel on gold(up) and PDMS(down) substrates. Copyright 2019, Wiley-VCH.

Fig.6 Tuning surface properties to assist the fabrication of flexible electronics via surface modification(A) Conductive network through printing CNT coffee rings[80]. Copyright 2014, Royal Society of Chemistry; (B) plasma assisted spatially controlled gradient pinning of CNT to fabricate strain sensors; (C) the stretchability, sensitivity, and stability of the strain sensors[79]. Copyright 2015, Wiley-VCH; (D) surface hydrophobicity assisted patterning of different functions from same conductive material; (E) heat and strain visualization under constant electric current[81]. Open access; (F) surface modification of gate insulator polymers by heat-assisted photo-acidic oxidation(HAPO) in flexible OFET; (G) performance of fabricated flexible OFET via HAPO method[84]. Copyright 2019, Wiley-VCH.

Fig.7 Covalent modification on surfaces of flexible electronics for enhancing performances[91](A) Modification of electrode surface with zwitterionic polymers PMPC to realize anti-epidermal-surface-lipids functions; (B) the stability of PMPC modified electrodes toward contamination-cleaning cycle, their electrical properties stayed stable, compared to the increased resistance of unmodified electrodes. Copyright 2020, Wiley-VCH.

Fig.8 Integrating organogel layers on surface of hydrogels for protection and functionalization(A) Hydrogel embedded initiator induced surface polymerization of organogel networks and subsequent formation of organogel protection layer[110]. Open access; (B) anti-dehydration performance of organogel protected hydrogel; (C) co-polymerization of surface grafted monomer resulted in covalent linkage between hydrogel and organogel; (D) solvent triggered actuation and shape change of laser etched hydrogel-organogel hybrids[111]. Copyright 2018, Wiley-VCH.

Fig.9 Covalently linking elastomers with hydrogels to realize gel protection and functionalization(A) Bonding between hydrogel and protective elastomer layer through surface initiated polymerization; (B) mechanism of elastomer covered hydrogels to function as triboelectric-nanogenerators[112]. Copyright 2018, American Chemical Society; (C) direct covalent linkage between hydrogels and protective elastomers to produce water-washable stretchable conductor fibers[113]. Copyright 2017, American Chemical Society.

Fig.10 Covalent bond linking between different functional layers in flexible electronics(A) The stable covalent binding of epoxy containing silver paste on plasma treated elastomer surface; (B) stability and mechanoelectrical performance of covalently linked silver paste-elastomer[125]. Copyright 2016, American Chemical Society; (C) covalent linkage between functional hydrogel layer and elastomer substrate to avoid delamination caused fake signals[127]. Open access; (D) the initiation mechanism of elastomer surface soaked benzophenone under UV light; (E) UV induced covalent linkage between physically crosslinked pre-hydrogel and elastomers to form micro channels[128]. Open access.

Fig.11 Surface chemistry assisted physical interlocking enabled strong interlayer binding in flexible electronics(A) Stable adhesion of wet conducting polymers on solid substrates via a hydrophilic polymer nanolayer; (B) stable adhesion endu-ring 10 min sonication in water; (C) wet conducting polymer modified micro-electrode arrays[132]. Open access; (D) physical interlocking between silk fibroin adhesive layer and polypyrrole conductive layer through interfacial polymerization[133]. Copyright 2020, American Chemical Society; (E) tree root inspired nanopile interlocking structure between gold and elastomer substrate; (F) the high adhesion between gold and substrate of nanopile interlocking[134]. Copyright 2016, Wiley-VCH; (G) thermal-radiation-assis-ted gold encapsulation in semi-polymerized elastomer substrate to produce interlocked structures; (H) scalable fabrication through thermal-radiation-assisted gold encapsulation[135]. Copyright 2019, Wiley-VCH.

Fig.12 Encapsulation and integration of entire flexible devices(A) Fabrication process of simple flexible devices through pre-molding and metal injection[136]. Open access; (B) fabrication of complex flexible devices through stepwise curing, pattering, binding, and encapsulation[137]. Open access; (C) multi-layer yet electrically insulated flexible device[138]. Open access.

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