近日，電子科技大學(xué)王曾暉、夏娟、徐博和上海交通大學(xué)楊睿（均為共同通訊作者）等合作報道了一種針對柔性器件動態(tài)測試的新型實驗裝置，首次揭示了引線在動態(tài)彎折實驗中對柔性器件電學(xué)特性測量帶來的不可忽略的影響，并提出了一種新的實驗裝置，能夠在動態(tài)彎折實驗中有效地、穩(wěn)定地排除此類干擾，從而大幅提高了測量的準(zhǔn)確度。論文以“Identifying, quantifying, and mitigating extraneous contact effect in dynamic characterization of flexible devices”為題，發(fā)表于Applied Physics Reviews期刊。

在柔性器件的彎曲測試中，常用實驗手段是一種“半靜態(tài)”測試方式：將待測器件彎折至特定曲率，再測量器件的電學(xué)響應(yīng)特性。這種方式可實現(xiàn)待測器件的原位、大曲率條件的測量表征，但是難以滿足對柔性器件在連續(xù)可調(diào)曲率變化下，對器件電學(xué)特性的動態(tài)、瞬時變化進(jìn)行精密測量和監(jiān)測的需求。而動態(tài)測試往往是用柔性引線將樣品連接到測量儀器，從而連續(xù)測量樣品在形變過程中的電學(xué)性能變化。然而，引線在實驗過程中引線自身的形變及其帶來的測量誤差，一直以來都被有意無意地忽略了。主要原因之一，是該效應(yīng)很難與樣品自身形變帶來的信號變化區(qū)分開來，從而難以量化。但是當(dāng)柔性器件不斷微型化，甚至達(dá)到納米尺度時，在動態(tài)測試過程中其自身的電阻變化與測量引線的電阻變化在數(shù)量級上逐步接近，對測量樣品真實的動態(tài)電學(xué)特性帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，能否區(qū)分、進(jìn)而排除測量中引線形變帶來的干擾信號變得愈發(fā)重要。

針對這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)，電子科技大學(xué)和上海交通大學(xué)的研究者們以石墨烯柔性應(yīng)變傳感器為例，通過系統(tǒng)的實驗設(shè)計，對比了柔性器件“在回路”和“不在回路”的動態(tài)測試結(jié)果，首次揭示了引線中復(fù)雜的機(jī)械響應(yīng)特性及其對電學(xué)測試結(jié)果的影響，證明了該效應(yīng)會掩蓋器件本征電學(xué)響應(yīng)特性，進(jìn)而降低器件性能表征的準(zhǔn)確度。進(jìn)一步，研究者們提出了一種針對柔性器件彎折實驗的新型實驗裝置（已獲得發(fā)明專利授權(quán)），通過特定的機(jī)電設(shè)計保證柔性器件動態(tài)測試過程中引線能夠以同一種姿態(tài)“懸浮”于待測器件上方，從而有效地避免了引線隨測試平臺彎折所帶來的額外機(jī)械形變（如下圖）。

圖片來源及版權(quán)：Applied Physics Reviews及論文作者

基于大量的對比實驗，研究者們證明了這一設(shè)計可以將由引線機(jī)械應(yīng)變造成的電阻變化降低兩個數(shù)量級，并且在樣品不同的彎曲幅度、速率下均具能夠很好地工作。同時，研究者們利用有限元仿真軟件對金屬引線在彎折實驗中的機(jī)械變化規(guī)律進(jìn)行了建模分析，證明了這一設(shè)計能夠有效地降低引線和樣品連接處的機(jī)械應(yīng)力變化，從原理上證明了新設(shè)計在降低金屬引線形變方面的科學(xué)性（如下圖）。這一研究成果為柔性器件動態(tài)彎折實驗的動態(tài)測試，特別是弱信號檢測，提供了一個大幅提升測試準(zhǔn)確度的有效方案。

圖片來源及版權(quán)：Applied Physics Reviews及論文作者

本研究得到了國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索項目、聯(lián)合基金重點項目、面上項目、青年基金等項目的支持。

審核編輯：湯梓紅