西安交大科研团队在抗疲劳金属薄膜导体研究中取得突破性进展
柔性电子技术近年来在航空航天、人机交互、生物医疗以及清洁能源等众多领域展现出广阔的发展前景。作为其中关键组件，金属薄膜承担着电连接与信号传输的核心任务。然而，其在实际运行中常常面临因循环变形引发的疲劳失效问题。传统纳米晶金属薄膜在长期服役过程中，容易出现晶粒异常长大和应变局部化现象，从而导致疲劳裂纹的早期萌生与加速扩展，最终引发电阻骤升，甚至电路完全失灵。
虽然已有研究表明，合金化和多层化策略在一定程度上可以提高薄膜的高周疲劳抗性，但这些方法通常会牺牲材料的电学延展性与低周疲劳寿命，难以实现两者的协同优化。这一技术瓶颈严重限制了柔性电子器件的长期稳定性与实际应用潜力。
针对上述难题，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提出了一种创新的“共格梯度纳米层状结构”（Coherent Gradient Nanolayered Architectures）设计策略。该策略通过构建具有原子级共格界面与逐层梯度过渡特征的金属多层膜，有效实现了对疲劳裂纹从“萌生—扩展”全过程的协同控制，为提升柔性导体的服役寿命提供了全新的技术路径。
图1展示了Ag/Al共格梯度多层薄膜的微观结构。a为薄膜截面的TEM图像；b和c分别展示了Ag层的面外与面内晶粒尺寸分布；d为晶体取向图及其对应的极图；e-f为高分辨STEM图像及其能谱分析结果，显示Ag/Al界面具有立方-立方取向关系；g和h进一步给出了沿<011>和<012>带轴的原子尺度界面图像及共格结构示意图。
该团队采用磁控溅射技术，成功制备了由银（Ag）和铝（Al）交替堆叠构成的共格梯度纳米多层薄膜。该结构具有以下显著特点：首先，Ag/Al界面具有原子级别的共格性，有助于位错跨界面滑移，从而缓解界面应力集中，延缓裂纹的萌生；其次，表面的纳米Ag层具备良好的稳定性，能有效抑制表面裂纹的形成。
此外，共格界面与厚度梯度结构在循环载荷下可协同产生异构变形强化效应，促使晶粒在横向方向（即平行于层界面）发生有序粗化，从而避免组织失稳，进一步延迟裂纹的萌生。同时，界面的适度结合力与梯度结构引起的多轴应力状态共同作用，诱导裂纹分层与路径偏转，有效控制裂纹扩展（图2）。
图2展示了Ag/Al共格梯度多层薄膜的疲劳损伤特征。a为裂纹萌生前的TEM图像；b为裂纹扩展后的TEM图像；c为Ag/Al界面的局部放大图；d为图b损伤区域的晶体取向图；e为对应的局部取向差图；f–h为裂纹扩展后薄膜截面的SEM图像，显示出裂纹钝化、界面剥离和裂纹偏转等典型特征。
测试结果显示，Ag/Al共格梯度多层薄膜在0.7%–2.0%应变范围内经受超过107次循环后，仍保持约107 S/m的高电导率。即使在5%应变条件下，经历105次循环后，其导电性能仍优于106 S/m。这一综合抗疲劳性能远超现有同类金属薄膜材料，成功实现了高周与低周疲劳性能的同步提升（图3）。
图3详细展示了Ag/Al共格梯度多层薄膜在不同循环阶段下的组织演变与裂纹萌生/扩展行为。d为纯Ag薄膜、Ag/Al等厚多层薄膜和Ag/Al梯度多层薄膜在0.7%应变范围下的相对电阻变化曲线；e为Ag/Al梯度多层薄膜与其他金属薄膜的疲劳性能对比；f为三类材料在5%应变范围下的相对电阻随循环次数的变化曲线。
该共格梯度层状结构在显著提升抗疲劳性能的同时，仍保持了接近纯银薄膜的高导电性与优异的电学延展性。这种设计策略具有良好的普适性，可拓展到金、铜、铝等其他金属体系，并与当前微加工工艺高度兼容，具备极高的产业化应用潜力。
研究团队进一步开发了三类基于该材料的原型器件：可植入生物电极、柔性发光显示器和柔性互连电路（图4），验证了其在多个前沿领域的可行性。这一成果为突破柔性电子器件长期可靠性瓶颈提供了切实路径，有望加速柔性电子技术在医疗健康、人机交互和智能传感等领域的广泛应用。
图4展示了基于Ag/Al共格梯度多层薄膜的柔性功能电路。a为制备流程示意图；b为四色闪烁电路的结构设计；c为实物图，包括正面、背面及组装状态；d–f展示了电路在弯曲、折叠和扭转状态下的工作稳定性；g–h为疲劳测试前后电路与音乐节奏同步的显示效果。
相关研究成果以《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，发表在《自然-电子学》（Nature Electronics）上。西安交通大学材料学院博士生夏赟为第一作者，吴凯教授与孙军院士为共同通讯作者。论文其他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和庄乾铎博士。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为唯一通讯单位。
该研究工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划及陕西省科技创新团队等项目的支持。表征和测试工作得到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协助。