中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
柔性電子器件能夠連續監測多種生物物理信號（例如心率、血壓、體溫）和生化信號（例如體液中的離子和代謝物）。先進(jìn)材料的研發(fā)促進(jìn)了柔性電子器件的發(fā)展，包括導電聚合物、納米材料、水凝膠、液態(tài)金屬、有機半導體。
由上述材料構建的柔性電子器件減輕了與生物組織之間界面的機械不匹配，從而擴展了模態(tài)并提高了傳感的保真度。然而，柔軟的特性使其難以與傳統電子器件連接。近年來(lái)，研究人員提出了各種方法，包括聚合物/金屬納米結構、可拉伸各向異性導電薄膜，以及機械互鎖微橋結構等，來(lái)實(shí)現柔性電子器件的無(wú)焊快速互連，但這些互連是不可逆的，導致柔性電子器件的功能、靈敏度、空間分布等特征固定，缺乏可重構性。
為了解決上述問(wèn)題，北京大學(xué)韓夢(mèng)迪課題組開(kāi)發(fā)了磁性導電復合材料（Hard Magnetic Graphene Nanocomposite，HMGN）來(lái)構建可重構柔性電子。HMGN結合了多孔導電材料和硬磁材料的優(yōu)點(diǎn)：一方面，通過(guò)多孔導電網(wǎng)絡(luò )和磁疇的協(xié)同效應改善了對電生理信號、物理信號和電化學(xué)信號的感知；另一方面，硬磁特性使得基于HMGN的器件可以通過(guò)通用、可逆和自對準的接口與其他電子元件連接，而無(wú)需加熱或按壓。HMGN傳感器對物理和生化信號進(jìn)行連續、多模態(tài)和可定制測量，在幫助痛風(fēng)、癲癇和高血壓等許多人類(lèi)疾病的診斷和治療方面顯示出了很大的潛力。
該成果發(fā)表在A(yíng)dvanced Materials，題為“Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics”。北京大學(xué)博士生項澤華為論文第一作者，北京大學(xué)韓夢(mèng)迪為論文通訊作者。
HMGN的制備與表征
該可重構柔性電子器件包括各種傳感模塊和襯底，均基于HMGN。制備HMGN的工藝流程包括激光誘導石墨烯，釹鐵硼/聚二甲基硅氧烷混合物剝離轉移和后續磁化。釹鐵硼顆粒滲透到多孔結構中形成磁性導電復合材料，并展示出了優(yōu)異的機電性能以及磁性和生物兼容性。
圖1: HMGN的制備與表征
HMGN用于增強的多模態(tài)傳感
摻雜的磁顆粒和磁疇協(xié)同調節傳感過(guò)程，從而增強傳感性能，包括伏安法電化學(xué)傳感，電生理傳感以及溫度傳感。對于伏安電化學(xué)傳感，磁性粒子通過(guò)磁流體動(dòng)力和微磁流體動(dòng)力作用，在極小尺度上施加洛倫茲力誘導對流，促進(jìn)快速的氧化還原反應和電子轉移。對于電生理傳感，摻雜NdFeB顆粒增強了復合材料的親水性，減少氣隙和增強表面潤濕，從而降低界面阻抗。對于溫度傳感，磁性顆粒內部電子的熱運動(dòng)以及磁疇的熱運動(dòng)協(xié)同作用增強靈敏度。
圖2: HMGN用于增強的多模態(tài)傳感
HMGN用于可逆、自對準的電學(xué)連接
有序的磁疇允許HMGN傳感器自組裝到具有磁性和導電互連的HMGN襯底上或從襯底上分離。傳感器和襯底中的磁顆粒呈相反極性相互吸引，形成從傳感器N極到襯底S極的連續導電路徑。HMGN傳感器和襯底的磁性吸引力在界面處形成了無(wú)縫連接。界面的電流-電壓曲線(xiàn)呈線(xiàn)性關(guān)系，表明其歐姆接觸。與其他互連技術(shù)(如導線(xiàn)粘合和導電膠)相比，由磁吸形成的互連是可逆的和自對準的，不需要外部壓力或加熱。
圖3: HMGN用于可逆、自對準的電學(xué)連接
基于HMGN的可重構柔性電子
對健康人體的實(shí)驗測量了心電圖、皮膚阻抗、皮膚溫度以及汗液中離子和代謝物的濃度，展示了基于HMGN的柔性電子器件的多模態(tài)可重構，包括可重構的靈敏度、空間分布和傳感模態(tài)。
圖4: 基于HMGN的可重構柔性電子
未來(lái)展望
HMGN可以實(shí)現柔性電子的重構，用于各種生物醫學(xué)應用，在協(xié)助診斷和治療許多人類(lèi)疾病方面具有潛力。進(jìn)一步的發(fā)展包括擴展HMGN的傳感模態(tài)，以針對更多樣化的物理和生化條件；改進(jìn)自對準互連，以協(xié)助在大范圍內組裝小型設備；以及開(kāi)發(fā)完全集成的可重構柔性電子，包括前端傳感模塊和后端電路模塊。
課題組簡(jiǎn)介
韓夢(mèng)迪課題組主要從事三維與磁性柔性電子器件的開(kāi)發(fā)，融匯微納制造、電路與電子學(xué)、智能傳感器、生物醫學(xué)工程等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)新一代用于生物醫學(xué)檢測的器件及系統，以可穿戴設備、微創(chuàng )植入器械等形式服務(wù)于智慧醫療，相關(guān)工作發(fā)表于Nature Electronics、Nature Biomedical Engineering、Science Translational Medicine、Science Robotics、PNAS、Advanced Materials、ACS Nano等期刊。
