西安交大孙军院士团队，最新Nature Electronics！

不怕弯、不怕拉：一种“抗疲劳”金属薄膜为柔性电子保驾护航

柔性电子、可穿戴设备、生物电子接口和软体机器人正在迅速走向真实应用，但一个长期存在却难以回避的问题始终制约着它们的可靠性——金属薄膜导体在反复弯折和拉伸中极易疲劳失效。尽管金属薄膜本身具备极高的电导率，也能与现有微电子工艺无缝兼容，但在循环应变下，微裂纹往往迅速萌生并沿晶界扩展，最终导致电阻飙升甚至电路断裂。更棘手的是，这类疲劳破坏往往发生在远低于材料静态断裂应变的条件下，使得许多柔性器件在真实服役环境中“未老先衰”。如何在不牺牲高导电性的前提下，显著提升金属薄膜的抗疲劳能力，成为柔性电子领域亟待突破的关键科学与工程难题。

今日，西安交通大学孙军院士联合吴凯教授共同报道了一种全新的相干梯度纳米层状（CGNL）金属薄膜结构，通过在银薄膜中引入厚度逐渐变化的银/铝纳米层，实现了对疲劳裂纹“从源头抑制、在途中偏转”的双重调控。该结构在高循环（10⁷ 次、0.7% 应变）和低循环（10⁵ 次、5% 应变）条件下均能保持接近恒定的高导电性（~10⁷ S m⁻¹），显著优于传统单层或均匀多层金属薄膜。研究进一步通过微结构表征与力学机制分析，揭示了梯度结构、相干界面与适度界面结合强度协同提升疲劳耐久性的内在机理，并展示了其在柔性发光器件、电路互连和生物电极中的应用潜力。相关成果以“Fatigue-resistant metal-film-based flexible conductors with a coherent gradient nanolayered architecture”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为Yun Xia。

研究的核心思想首先体现在材料结构设计上（图1a）。不同于传统厚度均一的金属薄膜，研究团队构建了一种自上而下银层逐渐变厚的梯度纳米层结构，中间夹入厚度仅约 4 nm 的铝层。由于银和铝在晶格常数和剪切模量上的高度匹配，这些界面并非“生硬拼接”，而是形成了高度相干的晶体界面。在循环加载过程中，这种结构会诱导银层发生受限而可控的晶粒演化（图1b），避免异常粗化导致的应变集中。更关键的是，当疲劳裂纹不可避免地萌生后，梯度结构和适度的界面结合强度会引导裂纹在银/铝界面发生偏转与分层扩展（图1c），而不是沿垂直方向快速贯穿薄膜。电阻演化曲线清晰地展示了这一优势：在 0.7% 应变、10⁷ 次循环后，CGNL 薄膜的电阻变化几乎可以忽略，而传统银薄膜和均匀纳米层薄膜早已出现显著退化（图1d、1f）。放在已有文献体系中对比（图1e），这种结构在宽应变区间内都表现出“断层式领先”的疲劳寿命。

图1：相干梯度银/铝纳米层结构设计及其在循环加载下延缓裂纹萌生、抑制裂纹扩展的整体机制示意与疲劳性能对比。

要理解这种卓越表现，必须深入到纳米甚至原子尺度（图2）。透射电镜截面图清楚显示，CGNL 薄膜由多层银/铝交替堆叠而成，并天然形成晶粒尺寸随层厚变化的梯度分布（图2a–c）。这种梯度意味着不同层在循环变形时承担不同程度的塑性应变，从而在材料内部形成有利的应变分配。更令人印象深刻的是界面结构。高分辨 HAADF-STEM 图像表明，银/铝界面呈现严格的“立方-立方”外延关系（图2f、2g），几乎不存在失配位错或原子台阶。这种完全相干界面既能有效缓解界面应力集中，又允许位错在界面附近活动，从微观层面避免了界面成为疲劳裂纹的“首发地”。也正是这种结构特征，使 CGNL 薄膜在宏观上兼顾了强度、延展性与耐久性。

图2：CGNL 薄膜的梯度晶粒结构与银/铝相干界面的原子尺度表征。

在长时间循环加载后，研究团队对损伤演化进行了系统观察（图3）。结果显示，即便在经历 10⁶ 次以上循环后，CGNL 薄膜的纳米层结构依然保持完整（图3a），没有出现传统银薄膜中常见的表面挤出和贯穿裂纹。局部区域虽出现裂纹萌生，但裂纹在传播过程中会经历尖端钝化、界面屏蔽和界面偏转等一系列“减速机制”（图3f–h）。特别值得注意的是，裂纹在银/铝界面处往往选择沿界面延展，而非直接穿透。这种路径的改变显著拉长了裂纹传播路线，降低了有效驱动力，从而大幅延缓失效进程。换句话说，CGNL 结构并未试图让材料“永不产生裂纹”，而是通过精妙设计，让裂纹在出现后“走得慢、走得弯、走不穿”。

图3：循环疲劳过程中裂纹萌生、钝化、界面偏转与分层扩展的显微结构证据。

材料性能的最终检验，必须回到器件层面。研究团队将 CGNL 薄膜集成进柔性电致发光器件中（图4a、4b）。在反复扭转、正向和反向弯折条件下，器件始终保持稳定发光（图4c–f）。更具说服力的是，在循环弯折测试中，采用传统银电极的器件亮度迅速衰减，而使用 CGNL 电极的器件在 10⁶ 次循环后几乎没有性能损失（图4g、4h）。这表明，材料层面的疲劳耐受性能够直接转化为器件层面的长期稳定运行。

图4：基于 CGNL 薄膜的柔性电致发光器件结构与循环弯折稳定性测试。

在更复杂的应用场景中，研究团队进一步构建了基于 CGNL 薄膜的柔性多色音乐节律 LED 电路（图5）。通过激光直写工艺制备的柔性电路，在弯折、折叠甚至 360° 扭转状态下仍能正常工作（图5d–f）。经过 1.5 万次循环加载后，传统银电路亮度衰减超过 60%，而 CGNL 电路几乎保持初始状态（图5g、5h），直观展示了其在实际柔性电子系统中的可靠性优势。

图5：CGNL 薄膜柔性电路的制备流程及在复杂形变和疲劳加载下的功能稳定性。

在生物电子领域，长期机械扰动和电刺激往往会迅速放大材料疲劳问题。研究团队将 CGNL 薄膜制成生物电极，用于大鼠体内肌电信号记录（图6a、6b）。结果显示，在经历机械疲劳和电疲劳后，CGNL 电极依然能够稳定记录高信噪比信号，而传统银电极则出现明显噪声和基线漂移（图6c–g）。这进一步证明，该结构不仅适用于工程器件，也具备进入真实生物环境的潜力。

图6：CGNL 生物电极在体内肌电信号记录中的抗机械与电疲劳性能表现。

小结

这项工作展示了一种全新的材料设计范式：通过梯度纳米结构与相干界面工程，在不牺牲金属高导电性的前提下，实现对疲劳损伤的精细调控。CGNL 薄膜在高循环与低循环条件下同时展现出的稳定电学性能，为柔性电子、可穿戴系统和生物电子接口提供了一条可行的耐久化路径。更重要的是，这一设计理念并不限于银/铝体系，未来有望推广至铜、金等多种金属薄膜，并与现有结构化柔性设计协同应用，为下一代高可靠柔性电子器件奠定材料基础。