Исследователи обнаружили новые подробности о том, как образуются разрушительные трещины в гибких электронных устройствах, и как их предотвратить.
Растущий спрос и проблемы долговечности
Спрос на гибкую электронику стремительно растёт — от мониторов здоровья и умных часов до складных телефонов и портативных солнечных панелей. Однако долговечность таких устройств, их способность выдерживать тысячи сгибов, изгибов и свёртываний, вызывает серьёзные опасения.
Новое исследование может помочь решить эту проблему.
Механизм образования трещин
Команда учёных показала, что небольшие трещины в хрупком слое электрода устройства могут привести к образованию более глубоких и разрушительных трещин в полимерном слое подложки, на котором расположены электроды. Работа опровергает давнее предположение о том, что полимерные подложки обычно устойчивы к растрескиванию.
«Подложка в гибких электронных устройствах — это как фундамент в вашем доме, — говорит Нитин Падтуре, профессор инженерии в Брауновском университете и автор исследования в журнале npj Flexible Electronics. — Если она треснет, это нарушит механическую целостность всего устройства. Это первое чёткое доказательство растрескивания в подложке устройства, вызванного хрупкой плёнкой сверху».
Слои в гибкой электронике
Слои, используемые в гибкой электронике, выполняют определённые функции. Верхний слой проводит электричество по поверхности, чтобы устройство работало. Обычно он изготавливается из специальных керамических оксидных материалов, поскольку они прозрачны и являются хорошими проводниками, что важно для экранов, датчиков и солнечных элементов. Но керамика хрупкая и склонна к растрескиванию, поэтому задача подложки — добавить некоторую прочность. Подложки обычно изготавливаются из полимерных материалов, которые обладают высокой гибкостью и устойчивы к растрескиванию.
Ануш Ранка, постдокторант в Брауновском университете, заинтересовался механизмом, с помощью которого усталость может ухудшать производительность устройств. Он решил более подробно изучить процессы растрескивания.
Для исследования Ранка изготовил небольшие экспериментальные устройства, используя различные типы керамических электродов и полимерных подложек. Затем он подверг их испытаниям на изгиб и использовал мощный электронный микроскоп для изучения трещин.
Результаты исследования
Работа показала, что трещины в керамическом слое часто приводят к образованию более глубоких трещин в подложке. Эффект наблюдался для различных комбинаций керамики и полимеров, что указывает на общий и неожиданный механизм отказа в гибкой электронике.
Исследователи говорят, что трещины, образующиеся глубоко в полимере, становятся постоянными структурными дефектами. При многократном изгибе эти трещины расширяются, смещаются или заполняются мусором, что препятствует соединению керамических трещин. Это приводит к увеличению электрического сопротивления и ухудшению производительности устройства.
Работая с Ханишем Кесари, профессором инженерии в Брауне, который специализируется на теоретической и прикладной механике, и аспиранткой по твёрдой механике Саякой Кочиямой, исследователи проанализировали проблему растрескивания. Они показали, что несоответствие упругих свойств двух слоёв приводит к образованию глубоких трещин в подложке.
Понимание механизма растрескивания привело команду к потенциальному решению: добавление третьего слоя материала между керамикой и подложкой, который смягчает упругое несоответствие.
«Мы создали карту проектирования, которая идентифицировала сотни полимеров, которые при правильной толщине могут потенциально смягчить это упругое несоответствие и предотвратить растрескивание в широком диапазоне комбинаций электрод-подложка», — говорит Падтуре, возглавляющий Инициативу Брауна по устойчивой энергетике.
«Используя эту карту проектирования, мы смогли выбрать конкретный полимер для третьего слоя и экспериментально продемонстрировать осуществимость нашего подхода».
Исследователи надеются, что диаграмма проектирования сделает устройства более долговечными. Однако не менее важно открытие того, что трещины действительно влияют на полимерные подложки — факт, который не был очевиден до этого исследования.
«Мы, по сути, решаем проблему, о которой люди не подозревали, — говорит Падтуре. — Мы думаем, что это может значительно улучшить циклический срок службы гибких устройств».
Другие исследователи из Брауновского университета, Йельского университета и Университета Рима Тор Вергата также внесли свой вклад в работу.
Исследование было поддержано Министерством энергетики США, Национальным научным фондом США и Управлением военно-морских исследований.
Источник: Брауновский университет.