Nano Research綜述:新材料在柔性光電子領域的開發及應用

CYM 2年前 (2021-06-05) 4058瀏覽

【引言】

光電器件可分為光子接收器件（例如光電探測器（PD））、發光器件（例如激光二極管、發光二極管（LED））、光伏器件（例如太陽能電池）和光通信器件（例如光耦合器、電光調制器）。在過去的幾十年里，在剛性襯底上提高光電器件的性能方面已經取得了巨大的進展，這使高性能相機、顯示器和能源采集器件等各種應用成為可能。同時，眾多的研究者也已經在彎曲圖像傳感器、可穿戴顯示器、生物集成光電子學和柔性半導體激光器等柔性光電子學方面取得了重大進展。然而，光電子學材料具有機械剛性和脆性，以及不易兼容伸縮器件的特點。近年來，人們已經努力克服了傳統不可伸縮光電子器件的限制，特別是它們在彎曲、折疊和拉伸變形條件下的機械穩定性差等問題。研究表明，能夠使光電器件機械變形的主要方法是，使用本身具有柔性/拉伸的功能納米材料或有機材料取代傳統的電子/光電材料。此外，先進的器件設計和非常規的制造方法也有助于柔性光電器件的發展。

近日，韓國基礎科學研究所Dae-Hyeong Kim教授（通訊作者）綜述了為柔性光電器件（如可伸縮的PDs和LEDs）開發的納米/微尺度材料和有機/聚合物材料，以及這些材料在新型光電系統中的應用。首先，作者回顧各種適合開發可伸縮光電探測器的材料，如納米材料、有機材料及其混合材料，以及相應器件的性能。然后，描述了適用于可伸縮發光二極管的納米材料和有機/聚合物材料。最后，綜述了在柔性和可伸縮光電探測器和發光二極管中，具有代表性的系統級應用，并討論了未來的應用前景，如可伸縮的生物集成光學傳感器和光遺傳刺激器。并且總結了目前最先進的新材料、器件設計和光電子學的非常規制造方法，同時討論了剩余的有待克服的挑戰。相關研究成果以“Materials and devices for flexible and stretchable photodetectors and light-emitting diodes”為題發表在Nano Research上。

【圖文導讀】

圖一、柔性/可伸縮光電探測器和發光二極管中各種納米材料和有機材料的示意圖

圖二、柔性光電新材料、先進器件設計和非常規制造方法的示意圖

圖三、基于納米級光檢測材料的柔性PDs

（a）基于Ag2Se納米顆粒的NIR PD；

（b）基于單晶硅納米材料的PTRs；

（c）帶噴墨印刷的透明MoS2噴墨打印機；

（d）可進行紫外線檢測的IGZO薄膜；

圖四、基于有機光檢測材料的柔性PDs

（a）NIR可檢測到的有機PD；

（b）PTCDI-C13H27薄膜有機PTR陣列；

（c）大規模卷對卷打印有機BHJ?PD；

圖五、基于混合光檢測材料的柔性PDs

（a）具有紅外靈敏度的半導體SWNT/C60?PTR；

（b）基于鈣鈦礦/MoS2?BHJ的混合PD；

（c）多頻圖譜PD；

圖六、基于無機發光材料的柔性和可伸縮發光二極管

（a）基于蛇形設計的AlInGaP光電器件；

（b）基于內部傳輸打印的RGD QLED陣列；

（c）基于有源式打印的QLED。

圖七、基于有機發光材料的柔性和可伸縮LEDs。

（a）使用可打印彈性導體的AM?OLED顯示屏；

（b）具有石墨烯負極改性的OLEDs；

（c）基于大面積MoS2的全彩色AM?OLED顯示屏；

圖八、基于無機/有機材料的柔性和可拉伸的發光二極管

（a）基于屈曲法的PLEDs；

（b）基于CNT-聚合物復合電極的PLEDs；

（c）基于導電聚合物電極的PLEDs。

圖九、柔性和可拉伸的PDs的成像應用

（a）受人類眼睛啟發的CurvIS；

（b）受水生物視覺啟發的光電二極管陣列；

（c）受節肢動物的眼睛啟發的數碼相機；

（d）功能三維體系結構中的二維材料。

圖十、柔性和可拉伸LEDs的可穿戴應用

（a）超薄型QLED顯示屏；

（b）壓敏型電致發光型皮膚；

（c）受節肢動物的眼睛啟發的數碼相機。

（d）表皮狀ACEL顯示屏。

圖十一、PDs和LEDs集成平臺的可穿戴和植入式應用

（a）可穿戴脈沖血氧測量法；

（b）光電皮膚設計；

（c）植入式，發光式和光電器件設計；

（d）完全植入式無線光電傳感器

【小結】

綜上所述，本綜述總結了涵蓋各種類型的納米/微尺度和有機/聚合物材料，在LED和PDs等單元器件中的應用，以及它們在最常見的柔性和可拉伸光電器件中的系統級應用。本文還簡要綜述了制造各種柔性和可伸縮光電器件的先進設計和非常規制造方法。同時，使用可變形的納米級和有機材料制造PDs和LEDs的非傳統的設計概念和處理原理，形成了一種新的多功能器件平臺。這種新型設備平臺對于構建可伸縮光電子學，如生物啟發彎曲成像傳感器陣列，可穿戴發光器件以及用于可穿戴和可植入設備應用的LED和PD的集成系統極其有效。

文獻鏈接：“Materials and devices for flexible and stretchable photodetectors and light-emitting diodes”(Nano Research，2021，10.1007/s12274-021-3447-3 )

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