随着技术发展，各向异性材料因其性能随方向变化的特点，在透明导电电极、纳米发电机、柔性导体及应变传感器等器件中展现出重要的应用潜力。作为其中的一个重要类别，各向异性导电材料具有沿单一方向导电而在其他方向绝缘的特性，因而受到研究者的广泛关注。然而，现有各向异性导电材料在满足实际应用需求方面仍存在局限。因此，开发新型热致各向异性导电材料，对于推动电子工业及相关领域的发展具有重要意义，这也是当前一个亟待深入探索的研究方向。

近日，长春理工大学董相廷教授和谢云蕊副教授在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上，发表了最新研究成果“Novel thermal-induced anisotropic conductivity film and descendable 3D pipe or 2D+3D architectures”。研究者首次提出了热致各向异性导电膜（TACF）和热致各向异性导电的新概念。通过利用具有磁性和半导体-金属相变产生热致导电性的二氧化钒(VO2)，开发了一种全新TACF。 通过平行静电纺丝技术，将作为微观构筑单元的[PMMA]//[VO2/PMMA]Janus带进行定向排列，从而制备出TACF。

通过使用具有两个微观分区的Janus带，实现了一个精心设计的双重策略，即加强导电方向的导电性和绝缘方向的绝缘性，以提高膜的导电各向异性。加热后，由于处于金属态的VO2在VO2/PMMA带中形成导电网络，TACF沿Janus带的长度方向（即导电方向）表现出强导电性，并且由于绝缘PMMA带的引入，TACF沿Janus带的宽度方向（即绝缘方向）表现出强绝缘性，实现了高的热致导电各向异性。通过调节VO2含量和加热温度可调节TACF的各向异性和顺磁性。二维(2D)TACF被卷曲成三维(3D)管和二维加三维(2D+3D)结构，实现了从TACF便捷并且跨维度的制备3D或2D+3D热致各向异性导电材料。衍生的3D管和2D+3D结构表现出与TACF相似的性能。作为应用演示，TACF、3D管和2D+3D结构在加热条件下于微电路中展现出可靠的导电互连及各向异性导电特性。图1为静电纺丝制备TACF的示意图。图2为制备衍生的3D管和2D+3D结构的示意图

图1：静电纺丝装置及平行静电纺丝示意图

图2：通过卷曲TACF得到衍生的3D管和2D+3D结构的制造工艺示意图

制备的VO2呈板状形态，并且已成功将单斜相VO2引入TACF中。在TACF中，Janus带由紧紧地绑在一起的两条平行带组成且排列有序。这种具有不对称Janus结构的Janus带作为微观构筑单元，为实现TACF的高导电各向异性奠定了结构基础（如图3）。通过采用不同方案对柔性TACF进行卷曲，可获得衍生的3D管及2D+3D结构（如图4）。

图3: VO2粉末的SEM图像(a)和VO2的大小分布直方图(b)；VO2粉末和TACF的XRD图谱(c)；TACF的SEM图像(d)；TACF中Janus带的宽度分布直方图(e)；单个[PMMA]//[VO2/PMMA]Janus带的OM图像(f)和EDS线扫描模式分析(g)。

图4：衍生的3D管(D-I和D-II)和2D+3D结构(D-III和D-IV)的物理照片。

当TACF发生相变时，即当VO2的晶体结构发生变化时，TACF在67.89±0.24 °C处显示吸热峰，放热峰在59.35±0.27 °C。此外，加热和冷却过程中的转变温度存在显著差异，即8.54±0.36 °C的差异，表示冷却过程中的滞后行为。总体而言，TACF中的VO2可以发生相变，相变温度为67.89±0.24 °C，符合纯VO2的相变温度。为了进一步证实TACF中VO2的相变，还对TACF在68 °C和80 °C下进行XRD测试。随着温度从25 °C升高至80 °C时，来自（111）、（102）、（122）平面的衍射峰在68 (C和80 (C消失。同时，单斜相VO2在64.970°处的特征峰，对应于(031)平面衍射，明显分裂为在64.662°和65.406°处两个峰，这分别对应于四方金红石相VO2在(310)和(002)的平面衍射。单斜相VO2在25 °C时的(011)平面衍射峰变为四方金红石相VO2在68 (C和80 (C时的(110)平面衍射峰。以上分析证实了TACF中VO2发生了热致相变（如图5）。

图5：TACF在加热和冷却过程中的DSC曲线(a)；不同温度下TACF的XRD图谱(b)；在不同温度下，局部放大图在范围为27.5(至28.5( (c)和63.5(至66.5((d)

不同VO2含量的TACF在C方向在加热和冷却过程中的电导发生变化。在加热过程中，样品的电导在相变温度附近突然变化。在连续突变之后，电导随着温度的升高而继续增加，但增加变得非常微弱。当温度超过80 (C时，电导基本保持不变，这意味着此时获得了最强的导电性。因此，我们将热致各向异性导电的测试温度设置为80 (C。在冷却过程中，电导随着温度降低恢复至初始水平，且升降温曲线起始和结束时的电导是一致的，表明TACF中VO2相变是完全可逆的。随着TACF中VO2含量的增加，相应样品沿C方向的电导在25 (C和80 (C均逐渐增加并且电导跳跃约为两个数量级（如图6）。

图6：在加热和冷却过程中不同VO2含量的TACF在C方向上的温度依赖电导回路(a)；TACF在25 (C和80 (C下C方向的电导随着VO2含量的改变（b，插图数据：80 (C电导与25 (C电导的比值）

TACF在C方向上（导电方向）表现优异的热致导电性。这是因为TACF使用有序排列的Janus带作为制造单元，VO2分布在Janus带的导电功能侧可形成连续的导电网络。当VO2随着温度的变化发生半导体-金属的可逆相变时，TACF在C方向上的导电性会发生变化。当VO2处于四方金红石相时，TACF沿C方向形成连续四方金红石相VO2导电网络。这使得电子只能沿着C方向传输，从而导致TACF在C方向上的热致导电性。因此，通过在有序Janus带的一侧分布具有半导体-金属相变的VO2，加强了C方向的导电性。

同时，在I方向（绝缘方向）上引入没有VO2分布的绝缘功能侧PMMA带，断开了电子在I方向上的传输路径，从而加强了I方向的绝缘性。TACF的I方向上没有导电性，而TACF的C方向上有热致导电性。因此，TACF表现出热致各向异性导电特性。TACF被创新性地设计为Janus带阵列，其中通过利用微观Janus带的结构优势，同时增强了导电方向上的导电性和绝缘方向上的绝缘性。这种同时加强导电性和绝缘性的双重策略确保了TACF中高度的导电性各向异性。在没有加热即室温时，TACF沿着C方向的电导为9.54×10-8 S，而沿着I方向的电导为1.63×10-9 S，两个方向的电导比值为5.81×101，此时具有较弱的各向异性导电性能，当加热至80 (C时，TACF沿着C方向的电导为2.19×10-5 S，具有热致导电性，沿着I方向的电导为1.81×10-9 S，仍保持绝缘性，两个方向的电导比值为1.22×104，具有很强的热致各向异性导电性能。因此，当加热时，TACF展现了热致各向异性导电性能，即通过加热实现了高的热致各向异性导电特性，获得了热致各向异性导电膜。

此外通过调节VO2含量，TACF可以实现可调节的导电各向异性（图7）。与三个对比样品相比，TACF通过采用有序排列Janus带的Janus结构，展现了最强的热致各向异性导电。这一事实证实，双重策略在实现高各向异性导电性方面非常有效，这为未来导电各向异性的研究提供了良好的思路（图8）。衍生的3D管和2D+3D结构具有与2D TACF几乎相同的热致导电性和热致各向异性导电（图9）。

图7：在25 (C-80 (C循环期间，VO2与PMMA重量百分比不同的TACF在C (a)和I (b)方向上的热致电导特性。

图8：在25 (C-80 (C循环期间，TACF和三个对比样品在C (a)和I (b)方向上的热致电导特性。

图9：在25 (C-80 (C循环期间，3D管和2D+3D结构在C (a)和I (b)方向上的热致电导特性。

由于其独特的热致各向异性导电和C方向的热致导电性，TACF、3D管和2D+3D结构作为连接器可以在加热过程中点亮发光LED集成电路中的南瓜灯。南瓜灯罩内安装了一个灯泡。当电路连接到TACF的C方向时，在温度升至80 (C时南瓜灯将亮起。当电路连接到TACF的I方向时，在温度升至80 (C时南瓜灯不会亮起。上述现象充分证明TACF的热致各向异性导电（图10）。在实际使用中，为了与不同的应用系统集成，需要定制不同的形状。因此，出现了与TACF具有相同性能的衍生的3D管和2D+3D结构。3D管和2D+3D结构在C和I方向上的结果与TACF相同，进一步扩展了TACF的实际应用（图11）。TACF的潜在应用示范可能为下一代柔性电子设备的未来发展提供指导。

图10：TACF在25 (C和80 (C下沿C和I方向的应用演示

图11：3D管和2D+3D结构在25 (C和80 (C下沿C和I方向的应用演示

TACF在25 (C时磁性随着PMMA中VO2重量百分比的增加而逐渐增加。TACF在25 (C和80 (C下都表现出顺磁性行为。TACF中VO2在向四方金红石相的转变过程中，二聚化的减少增强了磁矩的形成，从而增强了磁性，因此80 (C的磁性高于25 (C的磁性。通过调节VO2含量和加热温度实现TACF可调的磁性（图12）。

图12：在25 (C下测量的VO2与PMMA不同重量百分比的TACF的M-H曲线(a)；在25 (C和80 (C下测量的TACF的M-H曲线(b)

长春理工大学在读博士生唐雪花为该项研究成果的第一作者。本研究报道的新开发的热致各向异性导电材料（TACF、3D管和2D+3D结构）在电子设备中有着广泛的应用，这些新的发现代表了各向异性导电材料领域的重要进步。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139582 

人物简介：

董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院教授，博士，博士生导师。获享受国务院政府特殊津贴专家、吉林省第一层次拔尖创新人才、吉林省高级专家和吉林省B类人才等荣誉称号。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项和吉林省自然科学学术成果奖一等奖2项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Matter, Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., Renew. Energ., ACS AMI, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇，D指数44 (Research. Com)；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。

谢云蕊，长春理工大学化学与环境工程学院副教授，博士，硕士生导师，吉林省高层次D类人才。主要从事光电纳米材料及纳米材料基摩擦纳米发电机(TENG)器件的开发与应用研究。主持国家自然科学基金青年项目、重庆市自然科学基金、吉林省自然科学基金等多个项目。以第一作者和通讯作者在Matter, Chem. Eng. J., J. Colloid Interf. Sci., Nanoscale, J. Mater. Chem. C, Sustain. Mater. Techno.等国际重要期刊发表论文10余篇，包括ESI 1%论文1篇。申请国家发明专利3件，授权国家发明专利1件。