具有可拉伸性的可穿戴電子產(chǎn)品應(yīng)具有足夠的彈性，以適應(yīng)生物組織在大應(yīng)變和頻繁應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變。這些要求已逐漸成為用于人工皮膚的彈性電子器件材料的基本特征。最近，基于本征彈性導(dǎo)體或半導(dǎo)體的可穿戴傳感器和電路的原型器件已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。然而，鐵電體作為現(xiàn)代電子的關(guān)鍵和有前途的基礎(chǔ)材料，其彈性化卻遠(yuǎn)落后于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的彈性化進(jìn)程，阻礙了它們?cè)谛屡d可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。在過去的幾年里，化學(xué)交聯(lián)在半導(dǎo)體和導(dǎo)體的本征彈性化方面取得了長足的發(fā)展。然而，從聚合物鐵電體的彈性角度來看，傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)仍然可能出現(xiàn)鐵電響應(yīng)-彈性恢復(fù)的困境。更詳細(xì)地說，聚偏二氟乙烯（PVDF）基聚合物鐵電體的鐵電性源于晶體區(qū)域FE疇的取向和極化，這意味著優(yōu)異的FE響應(yīng)需要高結(jié)晶度；然而交聯(lián)一般會(huì)降低結(jié)晶度。因此，解決優(yōu)異彈性和高結(jié)晶度的FE彈性化過程中的FE響應(yīng)-彈性恢復(fù)難題具有挑戰(zhàn)性。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所李潤偉及胡本林研究團(tuán)隊(duì)將鐵電響應(yīng)和彈性回彈結(jié)合到一種材料中，開發(fā)了具有本征彈性的鐵電體。精確的微交聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶度和回彈性之間的復(fù)雜平衡。獲得了彈性鐵電，在高達(dá)70%應(yīng)變的機(jī)械變形下具有穩(wěn)定的鐵電響應(yīng)。這種彈性鐵電在與可穿戴電子產(chǎn)品相關(guān)的應(yīng)用中具有潛力，例如彈性鐵電傳感器、信息存儲(chǔ)和能量轉(zhuǎn)導(dǎo)。
該團(tuán)隊(duì)借助合肥光源光電子能譜線站（BL10B）的軟X射線譜學(xué)表征方法探究了原始P(VDF-TrFE)、與交聯(lián)劑共混的P(VDF-TrFE)、交聯(lián)劑PEG-diamine以及交聯(lián)后P(VDF-TrFE)的微觀電子結(jié)構(gòu)信息，F(xiàn)和C元素的近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（NEXAFS）光譜顯示，較低的交聯(lián)密度下，F(xiàn)和C元素化學(xué)價(jià)幾乎保持不變。N元素的NEXAFS光譜顯示，交聯(lián)后，交聯(lián)劑(PEG-diamine)中的氨基峰消失，材料中存在亞胺峰，以上結(jié)果成功證明通過亞胺鍵將P(VDF-TrFE)與PEG二胺輕微交聯(lián)。后續(xù)表征證明，與其他交聯(lián)方法相比，使用二胺作為交聯(lián)劑具有較高的反應(yīng)活性，低交聯(lián)密度可以使線性聚合物具有高彈性回復(fù)(在125%的拉伸應(yīng)變下回彈率仍超過90%)，同時(shí)保持盡可能高的結(jié)晶度，從而獲得幾乎和原始P(VDF-TrFE)一樣好的鐵電響應(yīng)。這一研究成果為可穿戴電子產(chǎn)品開發(fā)提供了新的思路。相關(guān)研究成果以“Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight cross-linking”為題，發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
圖 A.聚合物FE在應(yīng)變下的塑性變形（上圖：分子鏈之間的相對(duì)滑移導(dǎo)致緊縮現(xiàn)象和恢復(fù)）和彈性變形（下圖：化學(xué)交聯(lián)阻止分子鏈之間相對(duì)滑移并賦予良好的彈性）的宏觀和分子尺寸變化以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖。B.交聯(lián)劑PEG-diamine、不同交聯(lián)密度的P(VDF-TrFE)的N K邊NEXAFS光譜。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh2509
