印刷具有低規(guī)系數(shù)和高耐久性的可拉伸和皮膚兼容的導(dǎo)體是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。近日，發(fā)表在Chemistry of Materials上的一篇文章提出了一種基于皮膚相容性石墨烯納米片 (GNP) 的膠體墨水，該墨水利用具有可調(diào)流變性的熱塑性聚氨酯 (TPU) 粘合劑制備具有卓越性能的石墨烯導(dǎo)體。

除了即使在100%應(yīng)變下也具有高導(dǎo)電性，石墨烯導(dǎo)體還表現(xiàn)出在20-50%的循環(huán)應(yīng)變下也具有較高的抗疲勞性能。這些石墨烯導(dǎo)體在加熱到120℃后顯示出每平方34歐姆的低薄層電阻。

此外，多個(gè)能級(jí)的光子退火將薄層電阻降低到每平方10歐姆以下。然而，石墨烯導(dǎo)體的抗疲勞性和拉伸性得以保留，并且可以調(diào)整。因此，可拉伸性、高導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性與具有可調(diào)節(jié)流變性的可擴(kuò)展墨水生產(chǎn)相結(jié)合，展示了可拉伸可穿戴設(shè)備的大規(guī)模制造范圍。

可穿戴設(shè)備中的石墨烯導(dǎo)體

印刷電子產(chǎn)品中的導(dǎo)電元件是以金屬為基礎(chǔ)的。然而，合適的金屬是稀缺的或發(fā)生電遷移。雖然像銀(Ag)、金(Au)和銅(Cu)這樣的金屬是印刷電子產(chǎn)品的理想材料，但它們要么昂貴(Ag/Au)，要么有毒且極易被氧化(Cu)。

柔性導(dǎo)電聚合物是可集成到可穿戴導(dǎo)體中的金屬替代品。然而，它們的穩(wěn)定性問題阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。碳同素異形體石墨烯是另一種機(jī)械強(qiáng)度高、環(huán)境惰性、含量豐富且導(dǎo)電性強(qiáng)的替代品。

石墨烯是單原子厚的碳原子層，透明、導(dǎo)電、可彎曲，也是已知最強(qiáng)的材料之一。然而，使用石墨烯作為導(dǎo)體仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠駷橹棺C明的最低薄層電阻值高于市售的氧化銦錫 (ITO) 值（即 10 歐姆/平方，光學(xué)透射率為 85% ）。

GNPs 以大規(guī)模且具有成本效益的方式生產(chǎn)，這有助于輕松生產(chǎn) GNP 基墨水，是可穿戴技術(shù)的金屬墨水的替代品。各種工業(yè)印刷方法需要具有不同物理特性的墨水，包括表面張力、流變性和干燥時(shí)間。

盡管噴墨打印在實(shí)現(xiàn)高分辨率沉積方面效率很高，但它需要低粘度（即低濃度）的墨水，這限制了打印軌跡的導(dǎo)電性。相比之下，絲網(wǎng)印刷和柔版印刷技術(shù)是生產(chǎn)可穿戴電子產(chǎn)品的靈活、簡(jiǎn)單、快速和可擴(kuò)展的方法。絲網(wǎng)印刷可印刷厚層，可適應(yīng)多種油墨和基材。

基于GNP墨水的印刷可拉伸石墨烯導(dǎo)體

以前，基于石墨烯的應(yīng)變傳感器是通過絲網(wǎng)印刷制造的，而可拉伸的超級(jí)電容器是使用含有少量石墨烯的導(dǎo)電聚合物粘合劑基油墨印刷的。

Park、H等人開發(fā)的印刷可拉伸汗液傳感器。使用由 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 中的 TPU 組成的基于 GNP 的墨水，并用開發(fā)的墨水裝飾棉織物以生產(chǎn)應(yīng)變傳感器。然而，這些油墨缺乏可調(diào)節(jié)的流變性，限制了它們?cè)谠S多循環(huán)中的導(dǎo)電性和拉伸性。

因此，理想的可穿戴電子應(yīng)用導(dǎo)電軌道應(yīng)具有高導(dǎo)電性、高拉伸性、高循環(huán)穩(wěn)定性和低規(guī)格系數(shù)。在本研究中，我們開發(fā)了一種基于 GNP 的墨水，它滿足了絲網(wǎng)印刷可拉伸、耐用和皮膚相容的石墨烯導(dǎo)體的所有這些要求。

在 120 攝氏度干燥后，開發(fā)的石墨烯導(dǎo)體在 TPU 基板上的薄層電阻低至每平方34歐姆。通過光子退火將其進(jìn)一步降低至每平方10歐姆以下，同時(shí)保持其可拉伸性，證明了光子退火在調(diào)節(jié)基于 GNP 的可拉伸石墨烯導(dǎo)體的薄層電阻方面的潛力。

目前的方法允許在柔性基板上使用皮膚兼容的TPU粘合劑系統(tǒng)進(jìn)行可擴(kuò)展的GNPs生產(chǎn)，從而促進(jìn)可調(diào)節(jié)的流變學(xué)。基于 GNP 的墨水基于產(chǎn)生了直石墨烯導(dǎo)體，即使在100%應(yīng)變下也能導(dǎo)電。

這些石墨烯導(dǎo)體在 20-50% 的應(yīng)變下表現(xiàn)出低應(yīng)變系數(shù)和最小的循環(huán)應(yīng)變疲勞，最多可循環(huán) 1000 次。因此，與銀或金導(dǎo)體相比，石墨烯導(dǎo)體具有抗疲勞性并且具有低規(guī)格系數(shù)。

結(jié)論

總之，基于 TPU 和 GNP 的墨水被配制，并用于在具有 200 微米特征尺寸的各種柔性和可拉伸基材上，以絲網(wǎng)印刷無毒可拉伸石墨烯導(dǎo)體。

可拉伸軌道的薄層電阻電阻在TPU上低至34歐姆/平方，即使在100%應(yīng)變下仍然導(dǎo)電。因此，印制的石墨烯導(dǎo)體分別承受20%和50%峰值應(yīng)變的應(yīng)變循環(huán)。與銀導(dǎo)體或金導(dǎo)體相比，石墨烯導(dǎo)體具有較高的抗疲勞性能和較低的規(guī)格系數(shù)。

通過光子退火調(diào)制石墨烯導(dǎo)體的薄層電阻顯著降低了薄層電阻，同時(shí)保持了調(diào)諧漂移和可拉伸性。因此，在配制墨水和后處理方面的可擴(kuò)展性和靈活性為用于可穿戴電子設(shè)備應(yīng)用的可拉伸和柔性石墨烯導(dǎo)體的工業(yè)生產(chǎn)開辟了新的道路。

文獻(xiàn)信息：

Hazendonk, L.S.Vet al.(2022)Printed Stretchable Graphene Conductors for Wearable Technology.Chemistry of Materials.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c02007

審核編輯 ：李倩