經典大放送 十二篇綜述帶你走進柔性電子領域

【前言】

柔性電子是一種技術的通稱，是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/可延性基板上的新興電子技術。相對于傳統電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環境，滿足設備的形變要求。但是相應的技術要求同樣制約了柔性電子的發展。首先，柔性電子在不損壞本身電子性能的基礎上的伸展性和彎曲性，對電路的制作材料提出了新的挑戰和要求；其次，柔性電子的制備條件以及組成電路的各種電子器件的性能相對于傳統的電子器件來說仍然不足，也是其發展的一大難題。近年來，柔性電子領域的研究異常火熱，使得該領域的發展日新月異并取得了長足的進展。本文將從以下三個方面分別介紹多篇經典綜述，希望能夠使讀者快速走進柔性電子的世界。

1.柔性電子領域

柔性電子涵蓋有機電子、塑料電子、生物電子、納米電子、印刷電子等，包括RFID、柔性顯示、有機電致發光(OLED)顯示與照明、化學與生物傳感器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲、柔性電池、可穿戴設備等多種應用。隨著其快速的發展，涉及到的領域也進一步擴展，目前已經成為交叉學科中的研究熱點之一。2012在PROCEEDINGS OF THE IEEE雜志刊登了關于柔性電子的經典綜述1。同年John A. Rogers發表綜述文章描述了生物醫學領域柔性電子的發展2。鮑哲楠在2013年Advanced Materials 25周年紀念文章中闡述了柔性電子應用在電子皮膚方面的研究進展3。Alessandro Chiolerio教授2014年發表了經典綜述，進一步討論了柔性電子器件制作可穿戴設備的研究進展和發展趨勢4。

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柔性電子領域

柔性人造電子皮膚的發展

可穿戴柔性電子設備

2.柔性電子器件的材料

1) 碳納米管

碳納米管（CNT）由于其高的本征載流子遷移率，導電性和機械靈活性而成為用于柔性電子學的有前途的材料，既作為場效應晶體管（FET）中的溝道材料又作為透明電極。管狀碳基納米結構可以被設想成石墨烯卷成一個無縫的圓柱體，它們獨特的性質使其成為理想的候選材料。因為它們具有高的固有載流子遷移率和電導率，機械靈活性以及低成本生產的潛力。另一方面，薄膜基碳納米管設備為實現商業化提供了一條實用途徑。John A. Rogers與鮑哲楠教授分別發表了專題文章描述了基于CNT的柔性器件的處理和應用，回顧了柔性電子器件中碳納米管的最新進展5,6。

基于碳納米管的柔性電子制造

2) 氧化鋅

氧化鋅是一種眾所周知的寬帶隙半導體材料（室溫下3.4 eV，晶體），它有很多應用，如透明導體，壓敏電阻，表面聲波，氣體傳感器，壓電傳感器和UV檢測器。并因為可能應用于薄膜晶體管方面正受到相當的關注。同時氧化鋅還具有相當良好的生物相容性，可降解性。E.Fortunato教授介紹了基于氧化鋅的新型薄膜晶體管所帶來的主要優勢，這些薄膜晶體管在下一代柔性電子器件中非常有前途7。

??除此之外，還有眾多的二維材料被應用于柔性電子領域，包括石墨烯、半導體氧化物，納米金等。2014年發表在chemical review和nature nanotechnology上的兩篇經典綜述詳盡闡述了二維材料在柔性電子的應用8,9。

3.柔性電子制造方法

1)?轉移印刷

轉印是一系列用于將微米和納米材料確定性組裝成具有二維和三維布局的空間組織的功能性布置技術。John A. Rogers總結了各種轉移印刷技術的最新進展，從機械和材料方面，到在不同復雜程度的系統中使用它們的工程特點。并介紹了基礎和應用研究以及這些方法在高產量工業規模制造中的應用10。

2)?噴墨印刷

噴墨印刷，被稱為數字書寫技術，可以直接沉積功能性材料以在基材上形成圖案。黃永安教授的文章概述了用于柔性電子產品的噴墨打印技術。包括材料挑戰，工藝進展以及設備研究情況11。

3) 纖維結構形成

除了常見的印刷以及經典的沉積方法，基于纖維結構的柔性電子器件制作方法也非常適合可穿戴電子產品，這些電子產品具有重量輕，持久，靈活和舒適的特點。陶小明教授討論了關于基于纖維結構的柔性電子器件當前材料的限制，制造技術，以及設備的限制，以及在廣泛推廣使用之前必須加以改進的科學理解12。

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纖維機構的柔性器件

另外，柔性電子的研究中，除了以上方面，柔性器件制造、柔性基底選擇等領域也是研究的熱點和難點。篇幅所限不詳細討論。綜上，本文簡單介紹了數篇柔性電子領域的重要綜述，希望讀者朋友能從中獲得一些幫助，對柔性電子領域有一個簡單的認識了解。

【參考文獻】

1 Nathan, A.?et al.?Flexible Electronics: The Next Ubiquitous Platform. Proceedings of the IEEE?100, 1486-1517 (2012).

2 Kim, D. H., Ghaffari, R., Lu, N. & Rogers, J. A. Flexible and stretchable electronics for biointegrated devices. Annual review of biomedical engineering?14, 113-128, doi:10.1146/annurev-bioeng-071811-150018 (2012).

3 Hammock, M. L., Chortos, A., Tee, B. C., Tok, J. B. & Bao, Z. 25th anniversary article: The evolution of electronic skin (e-skin): a brief history, design considerations, and recent progress. Advanced materials?25, 5997-6038, doi:10.1002/adma.201302240 (2013).

4 Stoppa, M. & Chiolerio, A. Wearable electronics and smart textiles: a critical review. Sensors?14, 11957-11992, doi:10.3390/s140711957 (2014).

5 Park, S., Vosguerichian, M. & Bao, Z. A review of fabrication and applications of carbon nanotube film-based flexible electronics. Nanoscale?5, 1727-1752, doi:10.1039/c3nr33560g (2013).

6 Cao, Q. & Rogers, J. A. Ultrathin Films of Single-Walled Carbon Nanotubes for Electronics and Sensors: A Review of Fundamental and Applied Aspects. Advanced materials?21, 29-53, doi:10.1002/adma.200801995 (2009).

7 Fortunato, E.?et al.?Recent advances in ZnO transparent thin film transistors. Thin Solid Films?487, 205-211, doi:10.1016/j.tsf.2005.01.066 (2005).

8 Peng, X., Peng, L., Wu, C. & Xie, Y. Two dimensional nanomaterials for flexible supercapacitors. Chemical Society reviews?43, 3303-3323, doi:10.1039/c3cs60407a (2014).

9 Fiori, G.?et al.?Electronics based on two-dimensional materials. Nature nanotechnology?9, 768-779, doi:10.1038/nnano.2014.207 (2014).

10 Carlson, A., Bowen, A. M., Huang, Y., Nuzzo, R. G. & Rogers, J. A. Transfer printing techniques for materials assembly and micro/nanodevice fabrication. Advanced materials?24, 5284-5318, doi:10.1002/adma.201201386 (2012).

11 Yin, Z. P., Huang, Y. A., Bu, N. B., Wang, X. M. & Xiong, Y. L. Inkjet printing for flexible electronics: Materials, processes and equipments. Science Bulletin?55, 3383-3407 (2010).

12 Zeng, W.?et al.?Fiber-based wearable electronics: a review of materials, fabrication, devices, and applications. Advanced materials?26, 5310-5336, doi:10.1002/adma.201400633 (2014).

本文由材料人專欄科技顧問張淇供稿，材料牛整理編輯。

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