吳堅,黃克智

　　清華大學工程力學系，高等力學與材料研究中心

　　黃克智，清華大學工程力學系教授，中國科學院院士，俄羅斯科學院外籍院士。1927年生，江西南昌人，1947年江西中正大學土木系畢業，1952年清華大學工程力學研究生畢業。1978年任清華大學工程力學系教授，1991年當選中國科學院院士，2003年當選俄羅斯科學院外籍院士。曾任清華大學校學術委員會主任委員，工程力學所所長，國務院學位委員會力學評議組召集人，國家教委科技委員會委員及數理學部副主任，國際斷裂學會副主席，遠東與大洋洲斷裂學會主席，國際理論與應用力學聯合會理事，國際材料力學行為學會無任所常委。長期從事斷裂力學理論及應用，包括材料強韌化理論，宏細觀斷裂力學，變形梯度影響與尺寸效應，斷裂力學在核容器與管道工程中的應用；材料本構理論，相變力學，微米尺度與納米力學的力學，可伸展電子元件的力學等科學研究。曾獲國際、國家與部委級獎勵40余項，其中本世紀以來獲獎有2002年何梁何利基金科學與技術進步獎；2004、2006、2010年全國百篇優秀博士論文獎（姜漢卿、馮雪、吳堅）導師；2004年清華大學首屆（04-05）突出貢獻獎；2004年美國ASME全部刊物系列唯一Melville優秀論文獎；2004年國家自然科學二等獎（ 第二獲獎人）；2004年北京市教學成果一等獎（第五獲獎人）；2005年國家自然科學二等獎（第五獲獎人）；國家級教學成果二等獎（第五獲獎人）。2007年全國十大系列教育英才獎；2008年全國老教授協會科教興國獎；2009年獲中國力學學會周培源力學獎。已出版6部專著，在國內外學術刊物與會議發表論文300余篇。

斷裂力學在可伸展電子器件中的應用

　　隨著電子產業的發展，人們對電子產品便攜性和舒適性的要求越來越高，近些年來可伸展柔性電子器件成為電子產業的一個新亮點。傳統的電子元件主要以半導體硅或以硅基為基本材料，但硅是脆性材料，因此傳統的電子產品都是不可伸展。近幾年可伸展電子器件的發展主要從兩個方向開展：一是用本身就具有柔性的電子元件替代脆性的硅，如有機LED [1, 2]等；另一種方法是仍然基于傳統的半導體硅，但是將半導體硅集成在柔性基體上，通過特殊的結構設計來實現整個電子器件的伸展性，UIUC的J.A. Rogers教授和美國西北大學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，可調節電子眼等[3, 4]。在以半導體硅為基本材料的可伸展柔性電子器件的設計和制備過程中有一個重要的環節，就是將半導體硅等電子元件從生長基體上轉移印刷到柔性基體上，Meitl與Feng等人[5, 6]采用控制速率來實現電子元件的拾取和印刷兩個不同的步驟。Kim等人[7]通過在轉印頭表面增加微結構的方法實現了粘附可逆的轉移印刷方法。

　　粘附可逆的轉移印刷在轉印過程中通過控制外載荷來達到轉印頭與元件間粘附力高達3個量級的變化，來實現將元件從粘附力強的生長基體上印刷到粘附力較弱的承印基體上。外載荷的增加過程，轉印頭與元件間的接觸面可分為4個步驟：1.點接觸：無外加載荷作用下轉印頭與元件間是點接觸；2.轉印頭塌陷：外載荷增加到臨界值，轉印頭中部發生塌陷，其與元件的接觸面積突增；3.接觸面積保持不變：進一步增加外載荷，轉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力強度因子K_I為

　　       (1)

　　其中 E'是轉印頭的平面應變楊氏模量，h是轉印頭上微結構的高度，p是外載荷，b是微結構的間距，c是轉印頭與元件的接觸長度， K(k)是第一類橢圓積分， 。隨外載荷的增加裂尖的應力強度因子逐漸減小，直至為零；4.裂紋閉合：隨著外載荷的繼續增加，因塌陷形成的裂紋保持尖端的應力強度因子保持為零，裂紋逐漸縮短，轉印頭與元件的接觸面積繼續增加。外載荷增加到最大時，轉印頭與元件的接觸面積達到最大，只有接觸面積足夠大才能客服元件與生長基體的粘附力。基于轉印過程中斷裂力學模型，優化轉引頭上微結構的尺寸實現在快速加載時，元件與生長基體間的裂紋起裂，元件與轉印頭間的裂紋認為閉合狀態，因而實現元件的拾取與轉印。

　　通過微結構的尺寸優化來控制在轉印過程中不同部位裂紋擴展，實現粘附可逆可控的轉移印刷方法，為基于半導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

1. Shih-Chun Lo, Paul L. Burn. Development of dendrimers: Macromolecules for use in organic light-emitting diodes and solar cells. Chemical Reviews, 107: 1097-1116, 2007.
2. Franky So, Junji Kido, Paul Burrows. Organic light-emitting devices for solid-state lighting. MRS Bulletin, 33: 663-669, 2008.
3. S-I. Park et al. Printed assemblies of inorganic light-emitting diodes for deformable and semitransparent displays. Science, 325: 977-981, 2009.
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.