[論文レビュー] In-situ force microscopy to investigate fracture in stretchable electronics: insights on local surface mechanics and conductivity

Giorgio Cortelli, Luca Patruno+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2022

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 33被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、延性のある金膜をソフトなPDMS基板に形成した系において、引張ひずみ下で表面の微細構造、局所的弾性率、そして導電性を同時にマッピングするイン・サイト原子間力顕微鏡（AFM）技術を導入した。この手法により、微小亀裂が完全に導電パスを遮断するのではなく、亀裂に取り囲まれた断片間でもトンネル効果による導電が継続していることが明らかになった。これは、破断した薄膜において完全な電気的遮断が生じるとの従来の仮定に反する。

ABSTRACT

Stretchable conductors are of crucial relevance for emerging technologies such as wearable electronics, low-invasive bioelectronic implants or soft actuators for robotics. A critical issue for their development regards the understanding of defect formation and fracture of conducting pathways during stress-strain cycles. Here we present a novel atomic force microscopy (AFM) method that provides multichannel images of surface morphology, conductivity, and elastic modulus during sample deformation. To develop the method, we investigate in detail the mechanical interactions between the AFM tip and a stretched, free-standing thin film sample. Our findings reveal the conditions to avoid artifacts related to sample bending modes or resonant excitations. As an example, we analyze strain effects in thin gold films deposited on a soft silicone substrate. Our technique allows to observe the details of microcrack opening during tensile strain and their impact on local current transport and surface mechanics. We find that although the film fractures into separate fragments, at higher strain a current transport is sustained by a tunneling mechanism. The microscopic observation of local defect formation and their correlation to local conductivity will provide novel insight to design more robust and fatigue resistant stretchable conductors.

研究の動機と目的

• 試料の変形を伴う状態で、表面の微細構造、局所的機械的性質、電気的導電性を同時に測定可能なマルチチャネルイン・サイトAFM技術の開発。
• 自由膜状に引張り伸ばされた薄膜におけるAFM測定において、基板のたわみや共鳴振動といった実験的アーティファクトを同定し、低減する対策の確立。
• 引張ひずみ下における延性導電体の微小亀裂形成と局所的電気的輸送の相関関係を実験的に調査すること。
• 直接観察により、破断薄膜における導電性の既存モデルを検証・刷新し、非オーム的導電機構を解明すること。

提案手法

• 引張ひずみ下で、各画素において高さ、剛性、電流マップを取得するために、導電性AFMプローブを用いた高速繰返し力分光法を採用。
• 接触モードAFMを用い、セットポイント力10 nN、最大力500 nNを設定。128×128画素の画像取得に最適化されたプローブアプローチおよびリフトパラメータを適用。
• スピーカーとロックインアンプを用いた共鳴周波数解析により、自由膜状PDMS基板の機械的共鳴を同定し、測定中に回避する。
• サンプルとプローブ間のバイアスを可変（0%ひずみ時100 mV、高ひずみ時10 V）に設定し、局所的電流の測定を実施。
• シリコン基板へのインデンテーションおよび熱的チューニング法を用いて、AFMプローブのばね定数と感度をキャリブレーション。
• ストレインステージを用いて、自由膜状PDMS/Cr/Au膜に制御された引張ひずみを印加し、複数のひずみレベルで順次画像撮影を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由膜状に引張り伸ばされた薄膜のイン・サイトAFM測定において、主なアーティファクトの原因は何か。また、それらを最小限に抑える条件は何か。
• RQ2 引張ひずみ下における微小亀裂の形成と進化は、表面の機械的性質および導電性の局所的変化とどのように相関するか。
• RQ3 貫通亀裂に取り囲まれた孤立した金膜断片間で、どの程度まで電気的導電が維持されるか。
• RQ4 高ひずみ下でオーム伝導からトンネル伝導への遷移が生じるかどうか。もしそうであるなら、その条件は何か。

主な発見

• 本研究では、自由膜状の薄膜におけるイン・サイトAFM測定において、基板のたわみと共鳴振動が主なアーティファクトの原因であると特定し、それらを抑制する最適化された測定条件を確立した。
• 金膜における微小亀裂は引張ひずみに応じて段階的に開くことが確認され、微小スケールでの亀裂発生と拡大が明確に可視化された。
• 完全に断片化された状態であっても、ナノスケールのギャップを越えて電子トンネル効果による局所的電流輸送が継続していることが判明した。
• オーム伝導からトンネル伝導が支配的になる遷移が実験的に観察され、断片が亀裂に完全に取り囲まれた状態でも電流が流れることが確認された。
• 高ひずみ下でも局所的導電性がゼロに落ち込むことはなく、貫通亀裂が完全な遮断障壁であると仮定する従来のモデルとは矛盾する。
• マルチチャネルAFMアプローチにより、微細構造的欠陥、機械的軟化、電気的輸送の微小スケールでの直接的かつ定量的相関が可能となった。