頂刊帶你走進未來黑科技：柔性電子

柔性電子器件飛速發展，它們被廣泛用于醫療診斷、監測和柔性機器人等領域。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。

Science將有機電子技術進展列為2000年世界十大科技成果之一,美國科學家艾倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學家白川英樹由于他們在導電聚合物領域的開創性工作獲得2000年諾貝爾化學獎。在最近的10年間，康奈爾大學、普林斯頓大學、哈佛大學、西北大學、劍橋大學等國際著名大學都先后建立了柔性電子技術專門研究機構，柔性電子技術同樣引起了我國研究人員的高度關注與重視，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。

本文介紹9篇研究進展，希望能夠使讀者快速走進柔性電子的世界。

ACS NANO：可持續透明魚膠薄膜用于柔性電致發光器件

在過去的幾十年里，各種交流電致發光(ACEL)器件，特別是柔性電致發光器件被開發和應用于平板顯示、大型裝飾、標志顯示照明、光學信號等領域。透明塑料通常用作ACEL器件的襯底；然而它們是不可降解的，可能會造成嚴重的環境污染。在此，黃維院士聯合南京工業大學的劉舉慶教授和于海東教授團隊等人開發了一種基于透明魚膠(FG)薄膜的柔性瞬時ACEL設備。FG薄膜是由魚鱗制成的，這是可持續的，低成本的，環保的。這些薄膜在60°C下可在幾秒鐘內溶于水，在土壤中可在24天內完全降解。在可見光譜上，FG膜的透光率高達91.1%，與聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的透光率相當(90.4%)。與銀納米線形成復合的Ag NWs-FG薄膜顯示透光率高達82.3%、薄層電阻下降到22.4Ω sq^?1。基于Ag NWs-FG薄膜制備的ACEL器件具有很高的靈活性和亮度，其亮度可達56.0 cd m^?2。研究表明，可持續性、柔性和透明的FG薄膜是柔性電子領域中綠色和可降解基板的一個很有前途的替代品，包括可折疊顯示器、可穿戴設備和健康監測。相關研究以“Sustainable and Transparent Fish Gelatin
Films for Flexible Electroluminescent Devices”為題目，發表在ACS NANO上。

文獻鏈接：DOI: 10.1021/acsnano.9b09880

圖1?透明FG膜、基于柔性FG膜的ACEL設備及制作過程的示意圖

AEM：高安全性、超穩定性全柔性凝膠聚合物鋰離子電池

隨著柔性電子技術的發展，柔性鋰離子（LIBs）電池應運而生，受到了極大的關注。在此之前，幾乎所有報道的柔性元件都存在機械柔性差、能量密度低、安全性差的缺點，導致可伸縮應用的失敗。北京大學、北京石墨烯研究所劉忠范院士、魏迪教授研究展示了一種以LiCoO₂為陰極，Li₄Ti₅O₁₂為陽極，石墨烯薄膜為柔性集電器的全柔性鋰離子電池。氧化石墨烯改性凝膠聚合物電解質比傳統液體電解質具有更高的離子電導率，提高了柔性電池的安全性。柔性石墨烯電池的優化設計顯示出超常的電化學性能，其輸出電壓平臺為2.3 V，在1C時的容量為143.0 mAh g^?1。采用金屬箔作為電流集電極，其質量能量密度和功率密度均約為標準電極的1.4倍。更重要的是，即使在剪切狀態下，這種柔性凝膠聚合物電池仍能表現出穩定、安全的電化學性能。這項工作可能為下一代柔性電子產品的高性能可擴展LIBs的提供一個有希望的策略。相關研究以“Highly-Safe and Ultra-Stable All-Flexible Gel Polymer Lithium Ion Batteries Aiming for Scalable Applications”為題目，發表在AEM上。

文獻鏈接:?DOI: 10.1002/aenm.201904281

圖2?柔性電池GO-GPE的示意圖及充放電性能

AFM：環形磁場結構折紙式磁膜用于全柔性電磁振動傳感器

基于柔性電磁傳感器的機械運動傳感是一項具有挑戰性的工作，因為利用復合和增強的磁氈獲得柔性磁膜非常復雜。天津大學黃顯教授團隊研制了一種全柔性機電系統(MEMS)傳感器，通過多層柔性線圈和環形折紙式磁膜構成的新型裝置內的懸浮柔性磁體，對復雜的表面形態進行可穿戴式機械位移監測，具有良好的適應性。環形膜不僅調節了磁場的整體分布，提高了291%的整體磁性，而且大大提高了磁場覆蓋線圈整個區域的范圍。傳感器提供了一個廣泛的頻率響應范圍從1 Hz 到10 kHz和靈敏度在1.7 kHz為0.59 mVμm?1。該傳感器能夠靈活安裝在皮膚和機器表面，實現動作檢測、語音識別、生理信號監測和機器狀態評估等多種傳感功能。由于這一全柔性的微機電傳感器（MEMS）能夠承受重復的彎曲和變形，因此更適用于彎曲表面和可變形物體。類似的傳感器可以結合多種傳感和能量獲取模式，實現無電池和自我可持續的操作，并可以大量部署，進行分布式傳感，用于機器狀態評估、健康監測、康復和語音援助。相關研究以“Fully Flexible Electromagnetic Vibration Sensors with Annular Field Confnement Origami Magnetic Membranes”為題目，發表在AFM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adfm.202001553

圖3?傳感器的原理圖和圖像

AM：基于全無機鈣鈦礦量子點的柔性自供電光電探測器陣列

由于柔性設備在可穿戴和便攜式應用方面的潛力，它們正在引起人們的極大興趣。四川電子科技大學巫江教授聯合倫敦大學Kwang Leong Choy教授等人報道了一種基于全無機鈣鈦礦量子點的柔性自供電光電探測器陣列。與原始的CsPbBr₃量子點相比，CsBr/ kbr介導的CsPbBr₃量子點不僅改善了表面形貌而且降低了缺陷密度的結晶性。這進一步增強CsBr/ kbr介導的CsPbBr₃量子點的載流子輸運、光致發光效率和載流子壽命。采用CsBr/KBr工藝制備的柔性光電探測器陣列具有大于10⁴的高開關比，顯著提高的響應率（10.1 A W^-1）?以及探測率達到了9.35×10¹³Jones。特別是，這種性能是在自供電運行模式下實現的。此外，該器件在長時間彎曲后表現出極小的性能衰減以及優越的穩定性。柔性探測器陣列具有均勻的光響應分布，對實際成像系統具有重要意義，促進了鈣鈦礦產品的實際應用。相關研究以“Flexible and Self-Powered Photodetector Arrays Based on All-Inorganic CsPbBr3 Quantum Dots”為題目，發表在AM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adma.202000004

圖4?基于CsPbBr₃量子點的柔性光探測器陣列在CsBr/KBr處理下的光響應特性

AM：一種用于高效率發光二極管的二維碳化鈦MXene柔性電極

雖然碳納米管、石墨烯和導電聚合物等透明導電材料作為柔性電極在光電器件中得到了廣泛的研究，但其導電性差、工作性能差、電極制作工藝復雜等缺點限制了其實際應用。首爾大學Tae-Woo Lee和德雷塞爾大學?Yury Gogotsi等描述了一種具有透明導電電極(TCE)特性的二維碳化鈦(Ti₃C₂) MXene 薄膜，其包括高電導率(≈11670 S cm^?1)和高功函數(≈5.1 eV)。該薄膜通過簡單的溶液處理和表面成分調制相結合而實現的。導電聚合物空穴注入層的化學中和策略以防止不利的表面氧化和導致降解電極膜。基于MXene電極的有機發光二極管具有≈102.0 cd A^?1電流效率≈28.5% ph/el外部量子效率，這與光學模擬的理論最大值非常吻合。結果表明MXene作為可溶解處理電極在光電子器件中具有巨大的潛力，為MXenes作為TCEs在低成本柔性光電子器件中的應用提供了指導。相關研究以“A 2D Titanium Carbide MXene Flexible Electrode for High-Efciency Light-Emitting Diodes”為題目，發表在AM上。

文獻鏈接：DOI: 10.1002/adma.202000919

圖5?HODs設備設計示意圖、電流密度與電壓特點及LED器件特性

EES：柔性金屬-氣體電池:可穿戴電子設備的潛在下一代電源配件

近年來，柔性金屬-氣體電池由于其較大的理論能量密度和對不規則幾何表面的優越適應性，在可穿戴電子設備中的應用變得越來越有吸引力。隨著設計策略和組裝技術的不斷改進，各種先進的柔性金屬-氣體電池的制造已經開始嘗試。盡管做出了這些努力，將高靈活性、安全性、舒適性和高性能同步集成到具有特定功能配置的柔性金屬-氣體電池中仍然是一個艱巨的挑戰。為了解決這些難題，對陰極催化劑，凝膠聚合物電解質和電池配置/組件的重新設計了進行了研究。中國工程物理研究院化學材料研究所程建麗、王斌研究員等綜述了國內外柔性金屬-氣體電池的研究進展及目前存在的主要問題，重點介紹了具有不同結構和組分的柔性陰極和凝膠聚合物電解質對柔性金屬-氣體電池電化學性能和功能的影響。以柔性鋅-空氣、鋰-氧/空氣、Li-CO₂電池為例，說明其發展前景，提出了目前尚未解決的技術障礙和未來可穿戴電子器件用柔性金屬-氣體電池的研究前景。相關研究以“Flexible metal–gas batteries: a potential option for next-generation power accessories for wearable electronics”為題目，發表在EES上。

文獻鏈接：DOI: 10.1039/d0ee00039f

圖6?柔性金屬-氣體電池在可穿戴電子設備中的潛在應用示例

JMCA：超彈離子導電水凝膠用于無線可穿戴可拉伸傳感器

基于可伸縮離子導電水凝膠的傳感器以其優異的靈活性和高靈敏度被認為是實時監測人體運動的最佳候選穿戴式健康檢測電子設備之一。在體運動檢測中，離子導電水凝膠對其變形非常敏感。然而，目前報道的水凝膠在多次反復拉伸循環后難以恢復到最初的形狀，導致其反應遲鈍和使用壽命降低。華東師范大學徐敏教授和潘麗坤教授團隊與日本物質材料研究所徐興濤博士合作設計了一種超拉伸、可回收的離子導電水凝膠(SA-Zn)，作為人體運動檢測的可拉伸傳感器。SA-Zn水凝膠具有良好的拉伸性(最大拉伸應變可達4000%)和良好的形狀自恢復能力(拉伸到4000%后，仍然能夠在20分鐘內快速恢復原狀)。自回收50次后，水凝膠仍能保持良好的柔韌性、穩定的自回收能力和較高的導電性。而且與WiFi發射器結合時，組裝的無線可穿戴可伸縮傳感器(SA-Zn-W)能將人體運動轉化為視覺電信號，具有良好的靈敏度、快速響應、有效識別和穩定的機電重復性。優越的性能為SA-Zn-W系統提供了有效、遠程檢測人體運動的巨大潛力。相關研究以“Super-Stretchable, Elastic and Recoverable Ionic Conductive Hydrogel for Wireless Wearable Stretchable Sensor”為題目，發表在JMCA上。

文獻鏈接：DOI: 10.1039/D0TA02902E

圖7?兩性離子型天然高分子導電水凝膠力學性能

Joule：聚酰亞胺集成石墨烯電極用于柔性有機太陽能電池

有機太陽能電池(OSCs)的性能一直在穩步提高，在光敏材料和電荷傳輸材料的開發下功率轉換效率(PCE)超過了16%。盡管如此，目前柔性有機太陽能電池效率較基于剛性基底制備的剛性電池仍有較大差距，主要原因是常用的塑料基板易受高溫退火工藝的影響，基于塑料基底制備的柔性透明電極在面電阻、透光率、可加工性以及穩定性等方面受到極大限制。韓國蔚山國立科學技術研究所（UNIST）的Changduk?Yang教授和Hyesung?Park教授團隊介紹了一種通過在石墨烯上直接集成聚酰亞胺(PI)而獲得熱穩定性的高度靈活和耐用的電極。此方法制備的石墨烯電極表面呈現超潔凈超光滑的表面特征，其光透過率高達92 %，電阻低至83 Ω/sq，超光滑的電極表面也有利于降低電池界面缺陷，從而助力高效柔性有機太陽能電池的構筑。其用于柔性有機太陽能電池，實現了15.2%的光電轉換效率，該電極有望應用于要求高效率和靈活性的各種光電器件中。相關研究以“Flexible Organic Solar Cells Over 15% Efficiency with Polyimide-Integrated Graphene Electrodes”為題目，發表在Joule上。

文獻鏈接：DOI:?10.1016/j.joule.2020.02.012

圖8?PI@GR的兩步制作工藝示意圖

Nature?Nanotechnology：一種超薄，柔性的固態聚合物復合電解質

對更安全的電池的迫切需求正引領著對全固態鋰電池的研究。要達到可與液體電解質電池相媲美的能量密度，需要超薄且具有高離子電導率的輕質固體電解質。然而，因為電池短路的風險增加，與可比厚度商業聚合物電解質中使用液體電解質仍然具有挑戰性。斯坦福大學崔屹教授團隊提出了一種用于全固態鋰電池的超薄，高性能聚合物-聚合物復合固態電解質的設計策略，由8.6μm厚的納米多孔聚酰亞胺（PI）膜通過填充PEO/LTFSI制成。PI膜是不可燃的且機械強度高，高楊氏模量主體可以防止鋰枝晶的滲透，即使在超過1,000小時的循環之后電池仍未短路，垂直排列的納米通道增強了PEO/LTFSI的離子電導率（在30°C時為2.3×10^-4S cm^-1）。采用PI/PEO/LiTFSI固態電解質制造的全固態鋰離子電池在60°C時具有良好的循環性能，可承受彎曲，切割和釘子穿透等濫用測試。相關研究以“Ultrathin, flexible, solid polymer composite electrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries”為題目，發表在Nature Nanotechnology上。

文獻鏈接：DOI:?10.1038/s41565-019-0465-3

圖9?PI/PEO/LiTFSI的濫用測試

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本文由Junas供稿

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