吳堅(jiān),黃克智

　　清華大學(xué)工程力學(xué)系，高等力學(xué)與材料研究中心

　　黃克智，清華大學(xué)工程力學(xué)系教授，中國(guó)科學(xué)院院士，俄羅斯科學(xué)院外籍院士。1927年生，江西南昌人，1947年江西中正大學(xué)土木系畢業(yè)，1952年清華大學(xué)工程力學(xué)研究生畢業(yè)。1978年任清華大學(xué)工程力學(xué)系教授，1991年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士，2003年當(dāng)選俄羅斯科學(xué)院外籍院士。曾任清華大學(xué)校學(xué)術(shù)委員會(huì)主任委員，工程力學(xué)所所長(zhǎng)，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)力學(xué)評(píng)議組召集人，國(guó)家教委科技委員會(huì)委員及數(shù)理學(xué)部副主任，國(guó)際斷裂學(xué)會(huì)副主席，遠(yuǎn)東與大洋洲斷裂學(xué)會(huì)主席，國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)理事，國(guó)際材料力學(xué)行為學(xué)會(huì)無(wú)任所常委。長(zhǎng)期從事斷裂力學(xué)理論及應(yīng)用，包括材料強(qiáng)韌化理論，宏細(xì)觀斷裂力學(xué)，變形梯度影響與尺寸效應(yīng)，斷裂力學(xué)在核容器與管道工程中的應(yīng)用；材料本構(gòu)理論，相變力學(xué)，微米尺度與納米力學(xué)的力學(xué)，可伸展電子元件的力學(xué)等科學(xué)研究。曾獲國(guó)際、國(guó)家與部委級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)40余項(xiàng)，其中本世紀(jì)以來(lái)獲獎(jiǎng)有2002年何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)；2004、2006、2010年全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)（姜漢卿、馮雪、吳堅(jiān)）導(dǎo)師；2004年清華大學(xué)首屆（04-05）突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)；2004年美國(guó)ASME全部刊物系列唯一Melville優(yōu)秀論文獎(jiǎng)；2004年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（ 第二獲獎(jiǎng)人）；2004年北京市教學(xué)成果一等獎(jiǎng)（第五獲獎(jiǎng)人）；2005年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（第五獲獎(jiǎng)人）；國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)（第五獲獎(jiǎng)人）。2007年全國(guó)十大系列教育英才獎(jiǎng)；2008年全國(guó)老教授協(xié)會(huì)科教興國(guó)獎(jiǎng)；2009年獲中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)周培源力學(xué)獎(jiǎng)。已出版6部專(zhuān)著，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物與會(huì)議發(fā)表論文300余篇。

斷裂力學(xué)在可伸展電子器件中的應(yīng)用

　　隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)電子產(chǎn)品便攜性和舒適性的要求越來(lái)越高，近些年來(lái)可伸展柔性電子器件成為電子產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新亮點(diǎn)。傳統(tǒng)的電子元件主要以半導(dǎo)體硅或以硅基為基本材料，但硅是脆性材料，因此傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品都是不可伸展。近幾年可伸展電子器件的發(fā)展主要從兩個(gè)方向開(kāi)展：一是用本身就具有柔性的電子元件替代脆性的硅，如有機(jī)LED [1, 2]等；另一種方法是仍然基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硅，但是將半導(dǎo)體硅集成在柔性基體上，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電子器件的伸展性，UIUC的J.A. Rogers教授和美國(guó)西北大學(xué)的黃永剛教授在這方面做了一系列很重要的工作，如柔性iLED，可調(diào)節(jié)電子眼等[3, 4]。在以半導(dǎo)體硅為基本材料的可伸展柔性電子器件的設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，就是將半導(dǎo)體硅等電子元件從生長(zhǎng)基體上轉(zhuǎn)移印刷到柔性基體上，Meitl與Feng等人[5, 6]采用控制速率來(lái)實(shí)現(xiàn)電子元件的拾取和印刷兩個(gè)不同的步驟。Kim等人[7]通過(guò)在轉(zhuǎn)印頭表面增加微結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)了粘附可逆的轉(zhuǎn)移印刷方法。

　　粘附可逆的轉(zhuǎn)移印刷在轉(zhuǎn)印過(guò)程中通過(guò)控制外載荷來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)印頭與元件間粘附力高達(dá)3個(gè)量級(jí)的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)將元件從粘附力強(qiáng)的生長(zhǎng)基體上印刷到粘附力較弱的承印基體上。外載荷的增加過(guò)程，轉(zhuǎn)印頭與元件間的接觸面可分為4個(gè)步驟：1.點(diǎn)接觸：無(wú)外加載荷作用下轉(zhuǎn)印頭與元件間是點(diǎn)接觸；2.轉(zhuǎn)印頭塌陷：外載荷增加到臨界值，轉(zhuǎn)印頭中部發(fā)生塌陷，其與元件的接觸面積突增；3.接觸面積保持不變：進(jìn)一步增加外載荷，轉(zhuǎn)印頭與元件的接觸面積保持不變，因塌陷形成的裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K_I為

　　       (1)

　　其中 E'是轉(zhuǎn)印頭的平面應(yīng)變楊氏模量，h是轉(zhuǎn)印頭上微結(jié)構(gòu)的高度，p是外載荷，b是微結(jié)構(gòu)的間距，c是轉(zhuǎn)印頭與元件的接觸長(zhǎng)度， K(k)是第一類(lèi)橢圓積分， 。隨外載荷的增加裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，直至為零；4.裂紋閉合：隨著外載荷的繼續(xù)增加，因塌陷形成的裂紋保持尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子保持為零，裂紋逐漸縮短，轉(zhuǎn)印頭與元件的接觸面積繼續(xù)增加。外載荷增加到最大時(shí)，轉(zhuǎn)印頭與元件的接觸面積達(dá)到最大，只有接觸面積足夠大才能客服元件與生長(zhǎng)基體的粘附力?；谵D(zhuǎn)印過(guò)程中斷裂力學(xué)模型，優(yōu)化轉(zhuǎn)引頭上微結(jié)構(gòu)的尺寸實(shí)現(xiàn)在快速加載時(shí)，元件與生長(zhǎng)基體間的裂紋起裂，元件與轉(zhuǎn)印頭間的裂紋認(rèn)為閉合狀態(tài)，因而實(shí)現(xiàn)元件的拾取與轉(zhuǎn)印。

　　通過(guò)微結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化來(lái)控制在轉(zhuǎn)印過(guò)程中不同部位裂紋擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)粘附可逆可控的轉(zhuǎn)移印刷方法，為基于半導(dǎo)體硅的可伸展柔性電子器件的制備提供了非常有力的方法。

　　參考文獻(xiàn)

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4. I. Jung et al. Dynamically Tunable Hemispherical Electronic Eye Camera System with Adjustable Zoom Capability. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 108: 1788-1793, 2011.
5. Matthew A. Meitl et al. Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp. Nature Materials, 5: 33-38, 2006.
6. X. Feng et al. Competing Fracture in Kinetically Controlled Transfer Printing. Langmuir, 23: 12555-12560, 2007.
7. S. Kim et al. Microstructured elastomeric surfaces with reversible adhesion and examples of their use in deterministic assembly by transfer printing. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107: 17095-17100, 2010.