西安交大科研團隊在抗疲勞金屬薄膜導體領域取得新進展

 

　　面對這一長期存在的挑戰，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室孫軍院士團隊創新性地提出了“共格梯度納米層狀結構”(Coherent Gradient Nanolayered Architectures)設計策略，通過構筑兼具原子級共格界面與逐層梯度過渡特征的金屬多層膜(圖1)，實現了對疲勞裂紋“萌生—擴展”全過程的協同抑制，為柔性導體長效服役提供了全新的解決方案。
 

　　圖1 Ag/Al共格梯度多層薄膜的微觀結構。a，薄膜截面TEM照片；b-c，Ag層的面外與面內晶粒尺寸分布圖；d，薄膜晶體取向圖及相應極圖；e，Ag/Al界面的高分辨STEM圖像及對應能譜圖；f–g，沿<011>和<012>帶軸的界面原子尺度圖像，表明Ag/Al界面具有立方-立方取向關系；h，共格界面結構示意圖。
 

　　研究團隊采用磁控濺射技術，制備出銀(Ag)與鋁(Al)交替堆疊的共格梯度納米多層薄膜。該結構具有以下核心創新特點：(1)Ag/Al之間形成原子級共格界面，促進了位錯跨界面滑移，有效緩解了界面應力集中，從而延緩界面裂紋萌生；(2)表面穩定的納米Ag層抑制表面裂紋的形成；(3)力學穩定的共格界面與厚度梯度結構協同作用，誘導產生異構變形強化效應，并引導晶粒在循環載荷下發生有益的橫向(平行于層界面)粗化，抑制貫穿性組織失穩，進一步延遲疲勞裂紋萌生；(4)適度的界面結合力和梯度結構誘導的多軸應力狀態共同促進了界面分層與裂紋偏轉，有效抑制了疲勞裂紋的擴展(圖2)。性能測試表明，Ag/Al共格梯度多層薄膜在寬應變范圍(0.7%–2.0%)內經過超過107次循環后，仍保持約107 S/m的高電導率；即使在5%大應變的疲勞條件下，經歷105次循環后其導電性能仍優于106 S/m。該材料的綜合抗疲勞性能顯著優于已報道的同類金屬薄膜材料，成功實現了高周與低周疲勞性能的協同提升(圖3)。
 

　　圖2 Ag/Al共格梯度多層薄膜的疲勞損傷特征。a，裂紋萌生前的TEM圖；b，裂紋擴展后的TEM圖；c，Ag/Al界面結構的局部放大圖；d，圖b損傷區域的晶體取向圖；e，圖d對應的局部取向差圖；f–h，裂紋擴展后的薄膜截面SEM圖，展現出顯著的裂紋鈍化、界面剝離及裂紋偏轉現象。
 

　　圖3 Ag/Al共格梯度多層薄膜的抗疲勞性能。a–c，循環加載不同階段中共格梯度薄膜的微觀組織演變與裂紋萌生/擴展過程示意圖；d，純Ag薄膜、Ag/Al等厚多層薄膜和Ag/Al梯度多層薄膜相對電阻隨疲勞循環次數的變化曲線(0.7%應變范圍)，其中R0為初始電阻，R為循環過程中的實時電阻；e，Ag/Al梯度多層薄膜與其他金屬薄膜的疲勞性能對比；f，純Ag薄膜、Ag/Al等厚多層薄膜和Ag/Al梯度多層薄膜相對電阻隨疲勞循環次數的變化曲線(5%應變范圍)。
 

　　該共格梯度層狀結構在賦予材料超常抗疲勞性能的同時，保持了接近于純銀薄膜的高導電性與良好電學延展性。這一設計理念具備良好的普適性，可拓展至金、銅、鋁等其他金屬體系，且與現有微加工技術高度兼容，展現出優異的產業化應用潛力。研究團隊進一步制備了可植入生物電極、柔性發光顯示器與柔性互連電路(圖4)三類原型器件，驗證了該薄膜導體材料在多個前沿領域的應用可行性，為突破柔性電子長期可靠性瓶頸提供了切實可行的路徑，有望推動柔性電子技術在醫療健康、人機交互與智能傳感等領域的深度應用與普及。
 

　　圖4 基于Ag/Al共格梯度多層薄膜的柔性功能電路。a，制備流程示意圖；b，四色閃爍電路的結構示意圖；c，電路實物圖，包括正面、背面及組裝后的狀態；d–f，柔性電路在彎曲、折疊和扭轉狀態下的工作性能；g、h，疲勞測試前、后電路與音樂節奏同步的顯示效果。
 

　　相關研究結果以《基于共格梯度納米層狀結構設計的柔性抗疲勞金屬薄膜導體》(Fatigue-resistant metal-film-based flexible conductors with a coherent gradient nanolayered architecture)為題在線發表于《自然-電子學》(Nature Electronics)上。西安交通大學材料學院博士生夏赟為論文第一作者，吳凱教授和孫軍院士為共同通訊作者。論文合作者還包括西安交通大學劉剛教授、張金鈺教授、李博副教授、王亞強副教授、陳冰助理教授、祝婷博士、陳凱博士，以及東北大學李亦莊教授、莊乾鐸博士。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為論文唯一通訊單位。
 

　　研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、陜西省科技創新團隊等項目的資助。表征及測試工作獲得了西安交通大學分析測試共享中心和材料學院實驗技術中心的大力支持。