文章导读
您手中的柔性电子设备，是否总在反复弯折后性能下降，甚至突然失效？其核心瓶颈，往往在于金属薄膜导体“抗疲劳”能力不足。西安交大孙军院士团队在《自然-电子学》发表的最新研究，带来了颠覆性解决方案：他们创新性地设计出一种“共格梯度纳米层状结构”金属薄膜。这种新材料不仅能有效抑制疲劳裂纹的萌生与扩展，更在千万次弯折循环后依然保持卓越导电性。这为制造寿命更长、性能更稳的柔性显示屏、可穿戴医疗设备乃至智能传感器铺平了道路，有望彻底改变我们与电子世界的交互方式。
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柔性电子技术在航空航天、人机交互、生物医疗及清洁能源等领域具有广阔的应用前景。金属薄膜作为其中的关键导体材料，承担着电连接与信号传输的核心功能，然而其在实际应用中长期面临循环变形导致的疲劳问题。传统纳米晶金属薄膜容易发生晶粒异常长大和应变局域化，导致疲劳裂纹过早萌生并快速扩展，最终引发电阻急剧上升乃至电路完全失效。尽管合金化与多层化等方法能改善薄膜抗高周疲劳性能，却往往以牺牲电学延展性和低周疲劳寿命为代价，难以实现二者的协同优化。这一瓶颈严重制约了柔性电子器件的使用寿命与功能稳定性，成为其走向工程应用的核心障碍。因此，如何有效控制晶粒长大、显著延迟裂纹萌生、抑制裂纹扩展，从而全面提升金属薄膜的抗疲劳性能，是国际性关键科学与技术难题。
面对这一长期存在的挑战，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室孙军院士团队创新性地提出了“共格梯度纳米层状结构”（Coherent Gradient Nanolayered Architectures）设计策略，通过构筑兼具原子级共格界面与逐层梯度过渡特征的金属多层膜（图1），实现了对疲劳裂纹“萌生—扩展”全过程的协同抑制，为柔性导体长效服役提供了全新的解决方案。
图1 Ag/Al共格梯度多层薄膜的微观结构。a，薄膜截面TEM照片；b-c，Ag层的面外与面内晶粒尺寸分布图；d，薄膜晶体取向图及相应极图；e，Ag/Al界面的高分辨STEM图像及对应能谱图；f–g，沿<011>和<012>带轴的界面原子尺度图像，表明Ag/Al界面具有立方-立方取向关系；h，共格界面结构示意图。
研究团队采用磁控溅射技术，制备出银（Ag）与铝（Al）交替堆叠的共格梯度纳米多层薄膜。该结构具有以下核心创新特点：（1）Ag/Al之间形成原子级共格界面，促进了位错跨界面滑移，有效缓解了界面应力集中，从而延缓界面裂纹萌生；（2）表面稳定的纳米Ag层抑制表面裂纹的形成；（3）力学稳定的共格界面与厚度梯度结构协同作用，诱导产生异构变形强化效应，并引导晶粒在循环载荷下发生有益的横向（平行于层界面）粗化，抑制贯穿性组织失稳，进一步延迟疲劳裂纹萌生；（4）适度的界面结合力和梯度结构诱导的多轴应力状态共同促进了界面分层与裂纹偏转，有效抑制了疲劳裂纹的扩展（图2）。性能测试表明，Ag/Al共格梯度多层薄膜在宽应变范围（0.7%–2.0%）内经过超过107次循环后，仍保持约107 S/m的高电导率；即使在5%大应变的疲劳条件下，经历105次循环后其导电性能仍优于106 S/m。该材料的综合抗疲劳性能显著优于已报道的同类金属薄膜材料，成功实现了高周与低周疲劳性能的协同提升（图3）。
图2 Ag/Al共格梯度多层薄膜的疲劳损伤特征。a，裂纹萌生前的TEM图；b，裂纹扩展后的TEM图；c，Ag/Al界面结构的局部放大图；d，图b损伤区域的晶体取向图；e，图d对应的局部取向差图；f–h，裂纹扩展后的薄膜截面SEM图，展现出显著的裂纹钝化、界面剥离及裂纹偏转现象。
图3 Ag/Al共格梯度多层薄膜的抗疲劳性能。a–c，循环加载不同阶段中共格梯度薄膜的微观组织演变与裂纹萌生/扩展过程示意图；d，纯Ag薄膜、Ag/Al等厚多层薄膜和Ag/Al梯度多层薄膜相对电阻随疲劳循环次数的变化曲线（0.7%应变范围），其中R0为初始电阻，R为循环过程中的实时电阻；e，Ag/Al梯度多层薄膜与其他金属薄膜的疲劳性能对比；f，纯Ag薄膜、Ag/Al等厚多层薄膜和Ag/Al梯度多层薄膜相对电阻随疲劳循环次数的变化曲线（5%应变范围）。
该共格梯度层状结构在赋予材料超常抗疲劳性能的同时，保持了接近于纯银薄膜的高导电性与良好电学延展性。这一设计理念具备良好的普适性，可拓展至金、铜、铝等其他金属体系，且与现有微加工技术高度兼容，展现出优异的产业化应用潜力。研究团队进一步制备了可植入生物电极、柔性发光显示器与柔性互连电路（图4）三类原型器件，验证了该薄膜导体材料在多个前沿领域的应用可行性，为突破柔性电子长期可靠性瓶颈提供了切实可行的路径，有望推动柔性电子技术在医疗健康、人机交互与智能传感等领域的深度应用与普及。
图4 基于Ag/Al共格梯度多层薄膜的柔性功能电路。a，制备流程示意图；b，四色闪烁电路的结构示意图；c，电路实物图，包括正面、背面及组装后的状态；d–f，柔性电路在弯曲、折叠和扭转状态下的工作性能；g、h，疲劳测试前、后电路与音乐节奏同步的显示效果。
相关研究结果以《基于共格梯度纳米层状结构设计的柔性抗疲劳金属薄膜导体》（Fatigue-resistant metal-film-based flexible conductors with a coherent gradient nanolayered architecture）为题在线发表于《自然-电子学》（Nature Electronics）上。西安交通大学材料学院博士生夏赟为论文第一作者，吴凯教授和孙军院士为共同通讯作者。论文合作者还包括西安交通大学刘刚教授、张金钰教授、李博副教授、王亚强副教授、陈冰助理教授、祝婷博士、陈凯博士，以及东北大学李亦庄教授、庄乾铎博士。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文唯一通讯单位。
研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省科技创新团队等项目的资助。表征及测试工作获得了西安交通大学分析测试共享中心和材料学院实验技术中心的大力支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01503-1
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