近日，高端装备界面科学与技术全国重点实验室路新春教授团队柴智敏副教授在基于表面能诱导定向组装的可拉伸蛇形电极微纳制造领域取得进展。相关成果以“Stretchable Serpentine Electrodes with High Fidelity Fabricated Using Orientation-Controlled Surface Energy-Directed Assembly”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。论文提出一种基于取向调控的surface energy-directed assembly (SEDA) 工艺，用于制造具有600 nm线宽的高保真、高分辨率蛇形电极。

导读：

可拉伸蛇形电极作为新一代柔性电子器件的关键组件，在电子皮肤、自由形态显示器、可拉伸集成电路、人工触觉感知系统以及可穿戴能量收集器等领域展现出巨大的应用潜力。然而，现有微纳制造工艺在可拉伸基底上的应用仍面临诸多挑战，主要体现在工艺兼容性、可扩展性、图案保真度和分辨率等方面。表面能诱导定向组装（SEDA）工艺是一种利用基底表面能量差异来引导溶液组装的技术，为可拉伸蛇形电极的加工提供了新的解决方案。然而，该技术在实现蛇形图案的选择性组装方面仍存在显著局限性：在组装过程中，溶液往往非选择性地覆盖整个图案轮廓区域，且疏水性非图案区域的溶液难以完全去润湿，导致纳米材料在蛇形图案的侧边区域及线条之间非预期积聚。这种积聚不仅使图案几何尺寸偏离设计值，还显著降低了电极的可拉伸性。因此，深入探究纳米材料在蛇形电极侧边区域积聚的形成机制，并开发相应的选择性组装策略，对于提升可拉伸蛇形电极的性能至关重要。

本研究提出了一种基于取向调控的表面能诱导定向组装（SEDA）工艺，用于制备线宽为600 nm的高保真、高分辨率蛇形电极。该工艺通过沿蛇形图案的轴向方向从纳米材料悬浮液中提拉图案，确保亲水图案与三相接触线（TPCL）之间不会形成封闭区域，从而使TPCL能够自由后退，实现高选择性组装。

图1 SEDA工艺制备的高保真、高分辨率蛇形电极

图2 取向调控SEDA工艺制备高保真蛇形电极的机制

除了取向控制外，蛇形图案的长宽比（L/S）和提拉速度也对图案保真度起关键作用。具体而言，在低速提拉和低长宽比条件下，TPCL的横向后退时间短于纵向后退时间，从而实现了优异的组装选择性。

图3 蛇形图案的长宽比（L/S）和提拉速度对SEDA工艺图案保真度的影响

为了展示取向调控SEDA工艺的多样性，本研究在多种基底（如硅、纸张、聚二甲基硅氧烷和热塑性聚氨酯）上组装了基于银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管和液态金属等纳米材料的蛇形电极。这些可拉伸蛇形电极表现出独特的应变-电阻性能，并已应用于多个领域，包括机械应变门控晶体管、语音识别微动传感器、发光二极管显示器的互连电路以及人机交互手套。

图4 SEDA工艺组装蛇形电极的应用

清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室袁思晴为论文第一作者，柴智敏副教授为论文的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金青年项目等众多项目经费支持。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202423987