柔性電子最新技術來襲，其擁有改變未來的能力嗎？

當前，柔性技術被視為下一代智能硬件的主流交互形態之一，柔性電子產業也正以指數級的規模快速增長。在全球新興的柔性電子產業當中，柔性技術不僅僅只是顯示技術的一次突破和顯示屏相關產品的革新，柔性技術更應該被視作面向AIoT萬物智能互聯時代的全新人機交互方式。

柔性電子技術被賦予了很多能力，新技術不斷被突破，成為近幾年研究的熱門領域。下面分享幾篇最近的技術動態，探索其是否擁有改變未來生活的能力。

Nano?Energy：基于疏水復合薄膜的高性能透明柔性摩擦電納米發電機

現代便攜式、可穿戴式電子設備對靈活性、透明度和輕量化提出了要求。摩擦納米發電機以其優異的特性，作為獨立電源的基本元件，引起了人們的廣泛關注。在此，哈爾濱工業大學Gui-Gen Wang教授聯合中科院納米能源與納米系統研究所Ya Yang研究員證明了一種簡單有效的方法來修飾聚二甲基硅氧烷(PDMS)，以提高TENG的輸出電性能并優化其疏水性。4 cm²的TENG由PDMS-三氯硅烷(FDTS)摩擦層和銅納米線(Cu NWs)/還原氧化石墨烯(RGO)電極組成，具有高輸出電壓和大的轉移電荷量125 V和80 nC，相應的電氣性能比原始的PDMS基TENG多數倍。即使在濕度高達60%的環境條件下，也能獲得105.8V的電壓。這是由于FDTS與PDMS反應，引入氟元素吸收更多電子，提高介電常數。此外，制備的TENG保持高的可見光透過率(70.1%)，作為能源具有良好的靈活性，可以滿足便攜式、可穿戴式電子設備的需求。相關研究以“A high-performance transparent and ?exible triboelectric nanogenerator based on hydrophobic composite films”為題目，發表在Nano Energy上。

DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104918

圖1?制造TENG的原理圖

ACS Appl. Mater. Interfaces：基于離子導電的木質纖維素納米顆粒的柔性電容式濕度傳感器

隨著電子產品可再生性和可持續性要求的不斷提高，環境友好型纖維素基材料引起了廣泛的研究興趣，并在電子器件領域日益受到重視。濕度傳感器在工業、農業、氣候學、醫療服務和日常生活中起著至關重要的作用。在此，同濟大學Shijie Hou、?Shu Jin、?Jia Huang教授等人首次制作了基于離子導電木質纖維素納米顆粒(WCNs)的電容式濕度傳感器。基于WCNs的濕度傳感器具有極高的靈敏度、快速的響應速度、小的滯后，更重要的是相對濕度的工作范圍寬。在20 Hz時，傳感器顯示在7%~94% RH范圍內的感應信號增加了104倍，另外，可以實現濕度的細微差別并表現出優異的非接觸式皮膚濕度傳感性能。同時制作了柔性WCNs濕度傳感器，具有良好的傳感性能和長時間的穩定性，具有多種用途。這項工作為設計使用納米顆粒的高性能濕度傳感器提供了有效的指導，并為未來的各種應用開辟了一個新的領域。相關研究以“Flexible Capacitive Humidity Sensors Based on Ionic Conductive Wood-derived Cellulose Nanopapers”為題目，發表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。

DOI:?10.1021/acsami.0c12868

圖2?濕度傳感器多種響應曲線

AFM：仿生學可拉伸，粘接，導電的結構色薄膜用于柔性電子產品

柔性電子設備的快速發展引起了人們對許多應用的極大興趣，如健康監控設備、感覺皮膚和可植入設備。在這里，受貽貝的黏附特性和變色龍的色移機理的啟發，南京大學Yuanjin Zhao教授等人提出了一種新穎的可拉伸、黏附、導電結構色薄膜用于柔性電子產品。通過將導電碳納米管聚多巴胺(PDA) 加入到彈性聚氨酯(PU)反蛋白石支架中，產生了這種薄膜。由于其優異的靈活性和反蛋白石結構PU層，薄膜具有穩定的延展性和亮麗的結構色彩。此外，PDA上的鄰苯二酚基團使薄膜具有較高的組織粘附性和自愈合能力。值得注意的是，由于其響應性，由此產生的薄膜具有響應運動的顏色變化能力，可以作為雙信號人體運動傳感器，用于實時的顏色傳感和電信號監測。這些特點使仿生水凝膠為基礎的電子器件在柔性電子領域極具潛力。相關研究以“Bio-Inspired Stretchable, Adhesive, and Conductive Structural Color Film for Visually Flexible Electronics”為題目，發表在AFM上。

DOI: 10.1002/adfm.202000151

圖3?仿生可拉伸的導電結構色薄膜柔性電子原理圖

AFM：全無機離子聚合物型憶阻器用于高性能、靈活的人工突觸

可穿戴透明憶阻器的實現引起了廣泛的關注。然而，同時具有高柔性和環境穩定性的高性能憶阻器的開發一直是一個巨大的挑戰。受聚磷酸銨(APP)獨特的多離子特性啟發，蘇州大學賀競輝、路建美教授等人開制備了一種具有良好柔韌性和穩定性的Au/APP/ITO憶阻器。突觸行為可被寬度為20 ns、振幅為0.1 V的電壓脈沖刺激，并可在104個脈沖周期內重復，因此優于其他幾個基準的憶阻器。此外，該裝置制備在導電硅酮上，即使在高壓下也能保持突觸性能360°彎曲。此外，該裝置在60s的火燒和5.6 kGy離子照射后仍能維持突觸行為。另外，通過與以往所有的有機物和無機物的比較，確定APP無毒、可生物降解、透明。本研究結果將啟發更多無機聚合物在未來環境穩定柔性電子領域的應用。相關研究以“All-Inorganic Ionic Polymer-Based Memristor for High-Performance and Flexible Artifcial Synapse”為題目，發表在AFM上。

DOI: 10.1002/adfm.202004245

圖4?神經突觸與憶阻器件的結構

Advanced Science：氮摻雜泡沫碳包覆Co₃Fe₇納米合金和Co_5.47N構建集成式無粘結劑空氣正極用于柔性鋁空氣電池

全固態鋁空氣電池具有理論能量密度高、成本低和環保的特點，有望成為下一代靈活可穿戴電子產品的動力源。但由于空氣陰極中氧還原反應緩慢和界面接觸不良，導致其性能不理想。近日，上海交通大學孫寶德、付超鵬教授等人通過界面控制，構建了三維氮摻雜泡沫碳包覆Co₃Fe₇納米合金和Co_5.47N（Co₃Fe₇@Co_5.47N/NCF）。作為堿性和中性柔性鋁空氣電池無粘結劑和集成式的空氣正極，Co₃Fe₇@Co_5.47N/NCF表現出優異的氧還原性能，其在堿性電解液中的起始電勢為1.02 V，在半波中的正半波電勢為0.92 V（在氯化鈉溶液中為0.59 V），這歸因于Co₃Fe₇和Co_5.47N之間的獨特界面結構；此外，三維氮摻雜碳泡沫結構可以促進電子和物質的快速傳遞。用這種材料組裝的柔性鋁空氣電池具有199.6 mW cm^-2的功率密度，與傳統澆鑄空氣正極相比，無粘結劑和集成式正極顯示出更好的放電性能。相關成果以“Integrated and Binder-Free Air Cathodes of Co₃Fe₇?Nanoalloy and Co_5.47N Encapsulated in Nitrogen-Doped Carbon Foam with Superior Oxygen Reduction Activity in Flexible Aluminum-Air Batteries”發表在Advanced Science上。

DOI: 10.1002/advs.202000747

圖5?柔性鋁空氣電池性能

ACS Nano：多模式植物健康管理柔性傳感器系統

全球人口的增加和環境壓力的增加要求更高的植物生產力，同時利用先進的納米電子技術來平衡生態系統。盡管多功能可穿戴設備在人類健康監測和疾病診斷中發揮了獨特的作用，但由于其生物復雜性，探測植物潛在的生理健康問題是一個巨大的挑戰。日本大阪府立大學Kuniharu Takei教授提出了一種基于多模態柔性傳感器的植物生長管理系統，ZnIn₂S₄(ZIS)納米片作為內核傳感介質。基于ZIS的柔性傳感器不僅能夠以快速響應(約4 ms)的速度感知光線照射，而且能夠以持久穩定的性能監測濕度，第一性原理的計算表明，隧道效應主導當前與濕度響應相關的模型。這一發現對通過測定植物蒸騰作用研究植物氣孔功能具有指導意義。值得注意的是，脫水條件在監測期間(>15天)被目測記錄。這項工作可能有助于植物-機械生物界面，以精確管理植物健康狀況和明智地利用有限的資源。相關研究以“Multimodal Plant Healthcare Flexible Sensor System”為題目，發表在ACS Nano上。

DOI: 10.1021/acsnano.0c03757

圖6?多模態柔性植物健康管理傳感器

JMCA：基于納米纖維素/磺化碳納米管水凝膠膜的超韌、超靈敏柔性電子皮膚

隨著人們對可穿戴傳感器設備的興趣和需求的增加，制造一種結合高強度和高靈敏度的柔性水凝膠膜傳感器來監測人體生理信號是必要的，但仍具有挑戰性。最近，武漢理工大學Zhuqun Shi、Chuanxi Xiong、Quanling Yang教授等人成功地利用2,2,6,6-四甲基哌啶基-1-氧基氧化纖維素納米纖維(TOCNs)和磺化多壁碳納米管(SCNTs)制備了柔性壓阻電子皮膚(Eskin)。該柔性傳感器具有極高的靈敏度，約4.4 kPa^-1，超快響應時間低于10 ms，超低檢測限0.5Pa，良好的穩定性(>11 000循環)和機械強度高達184 MPa。同時，該壓力傳感器具有制備工藝簡單、時間消耗低、成本低、生物相容性好等優點。隨著智能終端設備的普及，柔性傳感器在未來可穿戴電子設備、健康監測、運動監測、智能假肢、人工智能等領域有著廣闊的應用前景。相關研究以“Supertough and ultrasensitive flexible electronic skin based on nanocellulose/sulfonated carbon nanotube hydrogel films”為題目，發表在JMCA上。

DOI: 10.1039/d0ta00158a

圖7?傳感器用于監測肌肉運動

Nature Commun.：具有超高的靈敏度和傳感密度的基于量子效應的柔性透明壓力傳感器

盡管近年來高性能柔性壓力傳感器在生物醫學和信息技術方面的應用廣泛，但基于現有的傳感機制制作高像素密度的超靈敏傳感器仍然是一個巨大的挑戰。在此，復旦大學Limin Wu教授等人基于Fowler-Nordheim隧道效應，通過旋轉涂覆極低含量(小于1.5 wt.%)的空心碳球分散于聚二甲基硅氧烷中制備了具有超高的靈敏度和傳感密度的壓力傳感器。該傳感器在1pa的下具有260.3 kPa^?1的超高靈敏度，400 cm^?2的高傳感密度及高透明度和不受溫度干擾。此外，它可以通過一種工業上可行的、可伸縮的旋轉涂覆方法制造，為實現超高靈敏度柔性壓力傳感器在各種表面和體內環境上的大規模生產和應用提供了有效途徑。相關研究以“Quantum effect-based flexible and transparent pressure sensors with ultrahigh sensitivity and sensing density”為題目，發表在Nature Commun.上。

DOI:?10.1038/s41467-020-17298-y

圖8?薄膜傳感器的制備與表征

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