Small:超可拉伸合金纳米线阵列连接集成制备突破

柔性电子器件在生物传感、仿生电子、柔性显示等领域有着广泛的应用。将各种“硬性”逻辑、传感和发光单元可靠集成到“柔性”的可拉伸衬底(如PDMS)上,是实现各类高性能柔性电子、光电和显示器件应用的有效途径。为此,亟需实现在与大面积平面工艺兼容、精准导向和耐久可靠的超可拉伸电学连接。尽管有机导电薄膜已被广泛应用于可拉伸电子和显示中,但其较低的导电性和稳定性挑战(在空气和潮湿环境下易老化和变性)仍然限制了其规模化器件应用。相较而言,无机材料具有更好的力学稳定性,导电性也更优,但大部分无机材料材质坚硬且易碎。为赋予无机材料更好的柔韧性,目前国内外研究团队主要采用具有弹性形貌的面内弯曲(2D spring)或表面褶皱(3D wrinkle)技术。然而,这些技术还难以满足高密度集成的需求(例如高清显示等,其中发光单元要求间距L<20 μm)。

针对上述需求,南京大学余林蔚徐骏教授团队基于自主创新的平面纳米线(In-plane solid-liquid-solid, IPSLS)生长模式1-5,利用平面纳米线可精确引导生长的特点,批量引导生长获得了弹簧状硅纳米线阵列,结合低温合金化工艺,首次批量精准制备了具有高导电性(电导率高于硅纳米线四个数量级)的规则纳米合金线连接阵列。通过弹性形貌设计,可满足最小3 μm间距的超高密度电学器件连接需求。在柔性PDMS衬底上测试显示,合金纳米线弹簧阵列具有优异的可拉伸性(高达50%)和稳定性(15%拉伸下循环拉伸>10000次),为实现超高密度、超高性能无机柔性电子器件集成,探索新一代柔性晶硅逻辑、健康监测、电子皮肤和可拉伸micro-LED显示等新型应用提供了基础共性的关键技术基础!

图1. (a) 超可拉伸电子器件的刚性岛和弹性桥连结构示意图。器件单元通过形貌设计的弹性材料相连。当R/W>10时,弯曲结构可获得良好的拉伸性能,其中R为设计半径,W为沟道直径;(b) SiNix (NS)的制备流程图,包括硅纳米线的批量引导生长以及合金化过程;(c) SiNix-NS阵列的SEM图片。(d)纳米线直径统计分布图,纳米线平均直径为160 nm。
图2. (a-b) IPSLS方法生长的硅纳米线及沉积200 nm镍金属膜的硅纳米线表面SEM图像;(c) Ni扩散入硅纳米线的截面示意图。(d-f)分别是沉积镍金属膜的纳米线在退火前、退火后未酸洗及酸洗后的SEM图片;(g) 获得SiNix-NS的选区电子衍射图;(h) SiNix-NS的HR-TEM,所得相为Ni31Si12;(i)SiNix-NS的电学性能测试,其平均电导率约为2×104 S/cm。
图3. (a-c) 弹簧状SiNix-NS纳米转移到柔性PDMS衬底的制备流程图及相应样品实物图;(d)自动拉伸平台照片。(e) 样品在不同拉伸度下的I-V曲线图;(f) 样品的电阻及电阻变化率与拉伸度的相关曲线.

图4. (a) 弹簧状SiNix-NS纳米线在不同拉伸程度(0-55%)时的光学图片; (b) 30%拉伸度下纳米线所受应力模拟分析图; (c-d) SiNix-NS纳米线在PDMS衬底上和悬空状态下其上下表面受力模拟分析图。

图5. (a) SiNix-NS纳米线阵列不同拉伸次数(@15%)时的I-V曲线图;(b) 1 V恒偏压下样品的电流与拉伸次数的关系图。2000-10000次拉伸过程中,电阻仅变化1.7%;(c) 样品在拉伸15%-释放(20次循环)过程中的实时电流,(d) 为其放大图; (e) 样品连接导线驱动灯珠的装置示意图;(f) 灯珠在拉伸15%-释放(10次循环)过程中提取的亮度变化。

其中,南京大学电子科学与工程学院博士生袁荣荣为第一作者,余林蔚教授和刘宗光副研究员为通讯作者。此工作得到了南京大学陈坤基教授、施毅教授和王军转副教授的大力支持,以及国家自然科学基金和产学研合作专项的资助,在此一并表示衷心的感谢!

相关前期工作:

  1. Zhang, T.; Hu, R.; Zhang, S.; Liu, Z.; Wang, J.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. Superfast Growth Dynamics of High-Quality Silicon Nanowires on Polymer Films via Self-Selected Laser-Droplet-Heating. Nano Lett.2021, 21, (1), 569-576.
  2. Liu, Z.; Yan, J.; Ma, H.; Hu, T.; Wang, J.; Shi, Y,; Xu, J.; Chen, K,; Yu, L. Ab Initio Design, Shaping, and Assembly of Free-Standing Silicon Nanoprobes. Nano Lett. 2021, 21 (7), 2773-2779.
  3. Ma, H.; Yuan, R.; Wang, J.; Shi, Y.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. Cylindrical Line-Feeding Growth of Free-Standing Silicon Nanohelices as Elastic Springs and Resonators. Nano Lett.2020, 20, (7), 5072-5080.
  4. Hu, R.; Xu, S.; Wang, J.; Shi, Y.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. Unprecedented Uniform 3D Growth Integration of 10-Layer Stacked Si Nanowires on Tightly Confined Sidewall Grooves. Nano Lett.2020, 20, (10), 7489-7497.
  5. Dong, T.; Sun, Y.; Zhu, Z.; Wu, X.; Wang, J.; Shi, Y.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. Monolithic integration of silicon nanowire networks as a soft wafer for highly stretchable and transparent electronics. Nano Lett.2019, 19, (9), 6235-6243.

论文信息:

Designable Integration of Silicide Nanowire Springs as Ultra-Compact and Stretchable Electronic Interconnections

Rongrong Yuan, Wentao Qian, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104690

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202104690