聚合物分散液晶（PDLC）器件，可以在电压刺激下发生可逆地光学特性变化，在智能电子显示及智能窗等领域具有潜在的应用。然而，随着智能交互式可穿戴电子产品的发展，目前用于PDLC器件的透明导电电极多为氧化铟锡（ITO）/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），其固有的脆性严重限制了变色器件在柔性可穿戴电子领域的发展，实现性能良好且高度柔性的变色器件仍然是一个巨大的挑战。因此，PDLC器件除了其内置的光调制功能外，为其开发传感功能和可拉伸性也具有重要的意义。
河南大学材料学院蔡国发教授、王金辉特聘教授等提出将AgNWs自组装形成的微网结构，嵌入在环境友好型可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底中，构建出基于嵌入式AgNWs微网结构的可拉伸透明导电电极（STCEs）。这种STCEs可以支持具有压力传感和光调节功能的可拉伸PDLC智能设备的实现。且该STCEs显示出优越的光电性能（方阻为6 Ω sq-1时，在550 nm处的光学透过率为86.6%）和机械稳定性（拉伸到100%时，方阻仅仅增加了0.36倍）。基于此，作者成功构筑了高度柔性化的PDLC器件，该器件显示出优越的光电性能，即快速的开关速度（<1 s），大的光调制（600 nm时为69%），稳健的机械稳定性（弯曲超过1000次，拉伸至40%）。此外，该PDLC器件还对压力刺激显示了高度灵敏的压力传感功能。该研究以题为“A Sensing and Stretchable Polymer-Dispersed Liquid Crystal Device Based on Spiderweb-Inspired Silver Nanowires-Micromesh Transparent Electrode”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
(资料图片仅供参考)
【柔性可拉伸STCEs电极的制备】
受自然界蛛网结构的启发，作者利用咖啡环效应，通过调节基底表面自由能，使喷涂的AgNWs产生比马兰戈尼效应更强的毛细流动，促使AgNWs自组装成有序的微网结构。进一步通过转移策略将AgNWs微网结构嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底中实现了可拉伸透明导电电极（STCEs）的制备（图1）。对所制备的STCEs进行光电表征，结果表明大面积制备的STCEs展示出均匀的高光学透过率及较低的方阻（图2a, b）。这是因为电极是由多孔的AgNWs微网组成，其线束和结点保证了微网结构的高电子传导特性。进一步的原子力显微镜图像显示其表面平均粗糙度为27.3 nm，远低于单根AgNWs的直径（70 nm），说明了部分AgNWs结构成功嵌入进入了PDMS柔性衬底中，证明了嵌入式AgNWs微网结构的实现。
图2 透明导电电极STCEs的光学及形貌表征
对不同剂量AgNWs下制备的STCEs进行光电性能测试，结果表明随着剂量的调整，STCEs的方阻急剧下降并伴随光学透过率的微小变化（图3a,b）。通过与其他工作进行对比，该STCEs显示出优异的方阻及透过率性能（图3c）。同时，该STCEs分别在酸、碱、盐溶液中处理100 h后电阻增加值低于20%，表现出良好的抗腐蚀特性（图3d）。与涂层AgNWs的STCEs相比，该AgNWs嵌入的STCEs还显示出对比明显的弯曲循环稳定性和拉伸性能。拉伸到50%和100%时对应的光学显微镜图像进一步证明了AgNWs嵌入的STCEs在拉伸状态下仍具有一个较为完整的导电网络，说明嵌入式结构赋予STCEs较高的可拉伸柔性性能。
图3 透明导电电极STCEs的光电性能、抗腐蚀性能、及可拉伸性能表征
【基于STCEs电极的PDLC器件】
基于以上STCEs成功构筑了具有三明治夹层结构的PDLC器件，该器件在未施加电压时，由于液晶分子的无序排列，可阻止可见光的透过。而在施加足够的电压时，液晶分子定向排列，允许可见光的透过（图4a,b）。通过调控电压可以实现PDLC器件不同的光学调制能力，如在200 V与0 V切换时器件在600 nm处的光学调制范围可达到69%（图4c,d）。对该器件循环测试表明，循环前后的光学调制能力和转换时间与初始值几乎保持一致，显示出出色的循环稳定性（图4e-f）。
图4 基于可拉伸STCEs构建的PDLC器件及光电性能展示
由于嵌入式AgNWs微网的独特性，由STCEs构建的PDLC器件也展示出较好的柔性性能。例如，在弯曲半径为5 mm的弯曲状态下循环弯曲1000圈前后，PDLC器件具有与初始时几乎一致的光学调制能力，且在弯曲状态下与平面状态相比也显示出几乎相同的光学调制能力（图5a,b）。该器件在拉伸到40%前后，其光学调制能力几乎没有衰减（图5c,d）。
图5 基于可拉伸STCEs构建的PDLC器件的柔性性能测试
作者进一步表征了该PDLC器件的传感性能。该器件在施加压力时由于PDLC层厚度的变化，会引起电容量的变化，从而使其具备传感特性（图6a）。压力下的电容信号测试表明，该器件在不同压力传感信号时可以输出稳定可逆的电容响应信号，且在0.5到10 kPa之间的电容响应信号几乎为线性。且响应时间和回复时间都小于1s。同时，该器件在拉伸到20%时显示出比压力信号更加明显且稳定的电容响应信号（图6b-f）。
图6 基于可拉伸STCEs构建的PDLC器件的压力传感性能测试
小结：该工作开发了具有嵌入式AgNWs微网的可拉伸透明导电电极（STCEs），用于具有光学调制能力和压力传感能力的可拉伸聚合物分散液晶（PDLC）器件。制备的STCEs具有优异的光电性能（在6 Ω sq−1时在550 nm处的光学透过率为86.6%），耐化学腐蚀，同时在拉伸状态具有优异的导电性。这种优越的性能主要归因于其独特的嵌入AgNWs微网结构。基于该STCEs组装的PDLC器件显示出较高的光学调制（600 nm处达69%）、快速开关速度（小于1 s）、良好的周期稳定性以及稳健的柔性和可拉伸性。此外，该PDLC器件具有显著的传感功能，可以将不同的压力信号（0.5-10 kPa）实时线性地转换为响应速度快的电容信号。总之，该传感和可拉伸的PDLC器件为智能交互光电器件、节能建筑和智能显示领域的应用提供了一种创新和有前途的策略。
来源：高分子科学前沿
