分子链互穿助力离子与电子导体高界面兼容性，开启可拉伸离子器件新篇

来源：上海幂方电子科技有限公司更新时间：2025-03-14 09:11:08 阅读量：99

导读：分子链互穿助力离子与电子导体高界面兼容性，开启可拉伸离子器件新篇

研究背景

离子器件在柔性电子和生物医学等领域有广泛应用，其通过移动离子和电子的混合电路发挥功能。然而，离子器件中硬电子导体与软离子导体的界面兼容性差，导致器件的可变形性、灵敏度、机电响应和稳定性较低。目前，已有的电子 / 离子导体界面设计方法存在诸多问题，如刚性导电氧化物电极与离子弹性体界面存在气隙，导致界面电阻高；碳墨水喷涂虽改善了界面兼容性，但仍需分别制备并集成不同组件；离子弹性体前驱体在涂有碳纳米管（CNT）的玻璃基板上聚合，因 CNT 与玻璃相互作用弱及玻璃基板刚性问题，导致界面稳定性差等。这些问题严重限制了离子器件的性能和应用范围，因此需要合理设计稳定、无缝的界面。

研究成果

离子器件在柔性电子和生物医学等领域有着广泛应用，其通过利用移动离子和电子的混合电路来实现功能。然而，离子器件中硬电子导体与软离子导体之间较差的界面相容性，会导致器件的可变形性、灵敏度、机电响应和稳定性较低。在此，厦门大学林乃波、谢瑞杰教授等人通过原位聚合制备了离子器件中有机硅改性聚氨酯/碳纳米管电子导体与离子弹性体之间的互穿界面。通过分子链缠结和分子间作用力（如离子 - 偶极相互作用和氢键），实现了坚固的电子/离子导体互穿界面，有效增强了各组分之间的结合强度和接触面积，从而赋予器件优异的柔韧性、稳定性和性能。基于该策略制备的电粘合剂在 -4V 的低电压输入下展现出高达317kPa的超强剪切强度，并且二极管和晶体管在任意变形的情况下仍能保持半导体器件的特性，包括整流和开关功能。此外，机电传感器对各种变形信号具有灵敏的电响应。这种解决电子和离子导体界面相容性问题的方法，为多功能离子器件的发展带来了希望。相关研究以“Molecular Chain Interpenetration–Enabled High Interfacial Compatibility of Ionic and Electronic Conductors for Stretchable Ionic Devices”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 通过原位光聚合，将离子弹性体锚定在可拉伸电子导体膜上，制备出强韧、无缝且稳定的界面。该界面利用分子链缠结和分子力（如离子 - 偶极相互作用和氢键），增强了离子和电子导体之间的结合强度和接触面积，提升了离子弹性体电极在离子器件中的性能。

2. 受壁虎粘附机制启发，开发的静电粘合剂在 -4 V 低电压输入下，展现出 317 kPa 的超强剪切强度。该粘合剂可用于举重、移动物体、机器人攀爬等，还能可逆地粘附在动物组织上，用于生理电信号采集，对皮肤损伤小。

3. 基于 pDMC/pSMA 异质结制备了可拉伸离子弹性体二极管、晶体管和机电传感器。离子弹性体二极管具有良好的整流性能，在多种电压条件下都能保持稳定的整流效果；晶体管在弯曲状态下仍能维持原有的开关特性，且开 / 关比在多次弯曲循环后迅速稳定；机电传感器对多种变形信号具有灵敏的电响应，能将机械运动转化为电信号进行传感。

图文导读

Figure 1. Design and characterization of the interface between silicone-modified polyurethane (SiPU)/carbon nanotubes (CNTs) and the ionoelastomer.

Figure 2. SiPU/CNT–pDMC/pSMA heterojunction for reversible adhesion.

Figure 3. Use of SiPU/CNT–pDMC for electrocardiogram and electromyogram acquisition.

Figure 4. SiPU/CNT–ionoelastomer diodes.

Figure 5. SiPU/CNT–ionoelastomer transistor.

Figure 6. SiPU/CNT–ionoelastomer electromechanical transducer.

总结与展望

本文通过原位光聚合方法制备了用于离子器件的 SiPU/CNT - 离子弹性体电极，成功解决了 SiPU/CNT 电子导体与离子弹性体之间的界面兼容性问题。借助分子链缠结和分子力，显著增强了可拉伸 SiPU/CNT 薄膜表面的结合力和接触面积，赋予离子器件出色的拉伸性、稳定性和性能。

文献连接

https://doi.org/10.1002/adma.202417175

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