[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究提出一种原位原子力显微镜（AFM）技术，可在拉伸应变下同时表征柔性PDMS基底上可拉伸金膜的表面形貌、局部弹性模量和电导率。该方法揭示，微裂纹并不会完全隔离导电通路；相反，即使裂纹将金膜碎片完全包围，电子隧穿导电仍持续存在，这挑战了传统认为断裂薄膜中导电性完全被隔离的假设。

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.

研究动机与目标

• 开发一种多通道原位AFM技术，能够在样品形变过程中同步测量表面形貌、局部机械性能和电导率。
• 识别并减轻在自由悬挂、拉伸的薄膜上进行AFM测量时的实验伪影（如基底弯曲和共振振动）。
• 通过实验研究可拉伸导体在拉伸应变下微裂纹形成与局部电输运之间的关联。
• 通过直接观测非欧姆导电机制，挑战并改进现有裂纹薄膜电导率模型。

提出的方法

• 采用导电AFM探针进行快速重复力谱，以在拉伸应变下逐像素获取高度、刚度和电流分布图。
• 使用接触模式AFM，设定点力为10 nN，最大力为500 nN，并优化探针接近和抬起参数，以获得128×128像素的图像。
• 利用扬声器和锁相放大器进行共振频率分析，识别并避开自由悬挂PDMS基底的机械共振。
• 在样品与探针之间施加可变偏置（0%应变时为100 mV，高应变时为10 V），以测量局部电流流动。
• 通过在硅片上进行压痕和热调谐法对AFM探针的弹簧常数和灵敏度进行标定。
• 使用应变台对自由悬挂的PDMS/Cr/Au薄膜施加可控的拉伸应变，实现在多个应变水平下的顺序成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自由悬挂、拉伸的薄膜原位AFM测量中，主要的伪影来源是什么？如何将其最小化？
• RQ2 微裂纹的形成与演化如何与拉伸应变下表面力学性能和电导率的局部变化相关联？
• RQ3 当金膜碎片被贯穿厚度的裂纹完全包围时，电导率在多大程度上仍能持续？
• RQ4 在高应变下，主导导电机制是否从欧姆导电转变为隧穿导电？若发生转变，其条件是什么？

主要发现

• 本研究识别出基底弯曲和共振振动是自由悬挂薄膜原位AFM测量中的主要伪影来源，并建立了优化条件以有效抑制这些干扰。
• 金膜中的微裂纹在拉伸应变下逐步打开，实现了微裂纹起始与扩展的清晰微观可视化。
• 尽管金膜已完全断裂为孤立碎片，但在高应变下仍可通过纳米尺度间隙的电子隧穿实现局部电流传输。
• 实验观察到从欧姆导电向隧穿主导导电的转变，即使碎片被裂纹完全包围，导电仍持续存在。
• 在高应变下，局部电导率并未降至零，这与假设贯穿厚度裂纹为完全隔离屏障的模型相矛盾。
• 多通道AFM方法实现了微尺度下形貌缺陷、机械软化与电输运之间的直接、定量关联。