[논문 리뷰] In-situ force microscopy to investigate fracture in stretchable electronics: insights on local surface mechanics and conductivity

Giorgio Cortelli, Luca Patruno외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 21.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 33인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 연신된 부드러운 PDMS 기반에 있는 유연한 금막에서 표면 형태, 국부적 탄성율, 전도도를 동시에 측정할 수 있는 현장 원자력현미경(AFM) 기법을 도입한다. 이 방법은 균열이 완전히 전도 경로를 분리하지 않음을 드러내며, 조각들이 균열에 둘러싸여 있어도 전자 터널링 전도가 지속된다는 점을 확인하여, 파손된 박막에서 전기적 절연이 완전하다는 기존의 가정을 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표면 형태, 국부적 기계적 성질, 전기적 전도도를 동시에 측정할 수 있는 다채널 현장 AFM 기법을 개발함.
• 자유 수축된 연신된 박막에서 AFM 측정 시 발생하는 실험적 오염원(예: 기질의 굽힘, 공진 진동 등)을 식별하고 이를 최소화함.
• 연신된 하중 하에서 탄성 도전체의 균열 형성과 국부적 전기적 운반 간의 상관관계를 실험적으로 조사함.
• 직접적으로 비오姆 법칙에 기반하지 않는 전도 메커니즘을 관찰함으로써, 균열이 있는 박막에서의 전도성 모델을 도전하고 개선함.

제안 방법

• 연신된 하중 하에서 매 픽셀에서 높이, 경도, 전류 지도를 동시에 확보하기 위해 도전성 AFM 프로브를 사용한 빠른 반복력 스펙트로스코피를 적용함.
• 접촉 모드 AFM를 사용하며, 설정력은 10 nN, 최대 힘은 500 nN로 설정하고, 128×128 픽셀 이미지를 위한 최적화된 프로브 접근 및 리프팅 파arameter를 적용함.
• 스 loudspeaker와 락인 증폭기를 사용하여 공진 주파수 분석을 수행하여 자유 수축된 PDMS 기질에서의 기계적 공진을 식별하고 피함.
• 표본과 프로브 사이에 변동 전압(0% 변형 시 100 mV, 높은 변형률 시 10 V)을 적용하여 국부적 전류 흐름을 측정함.
• 실리콘 기준 표면에 대한 압입 측정 및 열적 조정 방법을 통해 AFM 프로브의 스프링 상수와 감도를 校정함.
• 통제된 연신 하중을 가하는 변형 스테이지로 자유 수축된 PDMS/Cr/Au 박막에 하중을 가하여 다중 변형률 수준에서 순차적 이미징을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유 수축된 연신된 박막에서의 현장 AFM 측정에서 주요 오염원은 무엇이며, 이를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 연신 하중에서 균열 형성과 진화가 표면 기계적 성질 및 전도도의 국부적 변화와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 전면적으로 두꺼운 균열에 둘러싸인 고립된 금 조각 사이에서 전기 전도는 어느 정도 지속되는가?
• RQ4 고변형률에서 오옴 전도에서 터널링 전도로의 전이가 발생하는가? 만약 그렇다면 어떤 조건에서 발생하는가?

주요 결과

• 이 연구는 현장 AFM 측정에서 기질의 굽힘과 공진 진동이 주요 오염원임을 규명하고, 이를 억제하기 위한 최적의 조건을 설정함.
• 금막의 균열은 연신 하중에 따라 점진적으로 열리며, 마이크로스케일에서 균열의 기원과 확장 과정을 명확히 시각화함.
• 완전히 분리된 조각들 사이에서도 나노스케일 갭을 넘어서 전자 터널링으로 인해 국부적 전류 운반은 고변형률에서도 지속됨.
• 오옴 전도에서 터널링 전도로의 전이가 실험적으로 관찰되었으며, 조각들이 균열에 완전히 둘러싸여 있어도 전도가 지속됨.
• 고변형률에서 국부적 전도도가 0으로 떨어지지 않아, 두께 방향 균열이 완전한 절연체로 간주된다는 기존 모델과 정면으로 배치됨.
• 다중 채널 AFM 접근법을 통해 미세구조 수준에서 형태 결함, 기계적 연약화, 전기적 운반 간의 직접적이고 정량적인 상관관계를 확립함.