金屬薄膜新結構，讓柔性器件更耐用

近日，中國科學院院士、西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室主任孫軍團隊創新性地提出了“共格梯度納米層狀結構”設計策略，通過構筑兼具原子級共格界面與逐層梯度過渡特征的金屬多層膜，實現了對疲勞裂紋“萌生—擴展”全過程的協同抑制，為柔性導體長效服役提供了全新的解決方案。相關研究成果發表在《自然-電子學》上。

柔性電子技術在航空航天、人機交互、生物醫療及清潔能源等領域具有廣闊的應用前景。金屬薄膜作為其中的關鍵導體材料，承擔著電連接與信號傳輸的核心功能，然而其在實際應用中長期面臨循環變形導致的疲勞問題。

傳統納米晶金屬薄膜容易發生晶粒異常長大和應變局域化，導致疲勞裂紋過早萌生并快速擴展，最終引發電阻急劇上升乃至電路完全失效。盡管合金化與多層化等方法能改善薄膜抗高周疲勞性能，卻往往以犧牲電學延展性和低周疲勞壽命為代價，難以實現二者的協同優化。這一瓶頸嚴重制約了柔性電子器件的使用壽命與功能穩定性，成為其走向工程應用的核心障礙。

研究團隊采用磁控濺射技術，制備出銀（Ag）與鋁（Al）交替堆疊的共格梯度納米多層薄膜。該材料的綜合抗疲勞性能顯著優于已報道的同類金屬薄膜材料，成功實現了高周與低周疲勞性能的協同提升。

這種共格梯度層狀結構在賦予材料超常抗疲勞性能的同時，保持了接近于純銀薄膜的高導電性與良好電學延展性。這一設計理念具備良好的普適性，可拓展至金、銅、鋁等其他金屬體系，且與現有微加工技術高度兼容，展現出優異的產業化應用潛力。

Ag/Al共格梯度多層薄膜的微觀結構。西安交通大學供圖

研究團隊進一步制備了可植入生物電極、柔性發光顯示器與柔性互連電路三類原型器件，驗證了該薄膜導體材料在多個前沿領域的應用可行性，為突破柔性電子長期可靠性瓶頸提供了切實可行的路徑，有望推動柔性電子技術在醫療健康、人機交互與智能傳感等領域的深度應用與普及。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41928-025-01503-1