一文讀懂柔性電子常用材料及應(yīng)用領(lǐng)域
發(fā)布時間：2021/8/4 14:58:00
柔性電子是將無機/有機器件附著于柔性基底上，形成電路的技術(shù)。相對于傳統(tǒng)硅電子，柔性電子是指可以彎曲、折疊、扭曲、壓縮、拉伸、甚至變形成任意形狀但仍保持高效光電性能、可靠性和集成度的薄膜電子器件。
美日韓等國已戰(zhàn)略布局柔性電子項目，其在高精尖領(lǐng)域?qū)㈤L期保持高速增長態(tài)勢，也是我國應(yīng)該盡量抓住的歷史機遇。 為了滿足柔性電子器件的要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質(zhì)成為了柔性基底的關(guān)鍵指標(biāo)。 常見的柔性材料有：聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET） 、聚酰亞胺（PI） 、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、紙片、紡織材料等 。 聚亞酰胺材料具有耐高溫、耐低溫、耐化性與良好電氣特性的優(yōu)點，是柔性電子基底最具潛力的材料，因為在柔性基材選擇上除了耐高溫的特性要考慮以外，柔性基板的光穿透率、表面粗糙度與材料成本都是選擇須考慮的因素。 聚二甲基硅氧烷（PDMS）也是被廣泛認(rèn)可的柔性材料，它的優(yōu)勢包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好等。尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易地粘附電子材料。 PET雖然轉(zhuǎn)化溫度低，約70℃~80℃之間，但是PET價格低廉、光穿透性佳，是透明導(dǎo)電膜性價比很高的材料。 金屬材料一般為金銀銅等導(dǎo)體材料，主要用于電極和導(dǎo)線。對于現(xiàn)代印刷工藝而言，導(dǎo)電材料多選用導(dǎo)電納米油墨，包括納米顆粒和納米線等。金屬的納米粒子除了具有良好的導(dǎo)電性外，還可以燒結(jié)成薄膜或?qū)Ь€。 大規(guī)模壓力傳感器陣列對未來可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要。基于壓阻和電容信號機制的壓力傳感器存在信號串?dāng)_，導(dǎo)致了測量的不準(zhǔn)確，這個問題成為發(fā)展可穿戴傳感器最大的挑戰(zhàn)之一。 由于晶體管完美的信號轉(zhuǎn)換和放大性能，晶體管的使用為減少信號串?dāng)_提供了可能。因此，在可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)域的很多研究都是圍繞如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管展開的。 傳統(tǒng)上用于場效應(yīng)晶體管研究的p型聚合物材料主要是噻吩類聚合物，其中最為成功的例子便是聚（3-己基噻吩）（P3HT）體系。萘四酰亞二胺和苝四酰亞二胺顯示了良好的n型場效應(yīng)性能，是研究最為廣泛的n型半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于小分子n型場效應(yīng)晶體管當(dāng)中。 以ZnO和ZnS為代表的無機半導(dǎo)體材料由于其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。 比如有一種基于直接將機械能轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號的柔性壓力傳感器被開發(fā)出來。這種矩陣?yán)昧薢nS:Mn顆粒的力致發(fā)光性質(zhì)。 力致發(fā)光的核心是壓電效應(yīng)引發(fā)的光子發(fā)射。 壓電ZnS的電子能帶在壓力作用下產(chǎn)生壓伏效應(yīng)而產(chǎn)生傾斜，這樣可以促進(jìn)錳離子的激發(fā)，接下來的去激發(fā)過程發(fā)射出黃光。 柔性可穿戴電子傳感器常用的碳材料有碳納米管和石墨烯等。碳納米管具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制、比表面利用率可達(dá)100%的特點。 石墨烯具有輕薄透明、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特點。在傳感技術(shù)、移動通訊、信息技術(shù)和電動汽車等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。 在碳納米管的應(yīng)用上，利用多臂碳納米管和銀復(fù)合并通過印刷方式得到的導(dǎo)電聚合物傳感器，在140%的拉伸下，導(dǎo)電性仍然高達(dá)20S/cm。 當(dāng)碳納米管和石墨烯綜合應(yīng)用時，可以制備高度拉伸的透明場效應(yīng)晶體管。其結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無機介電層單壁碳納米管網(wǎng)格通道。由于存在褶皺的氧化鋁介電層，在超過一千次20%幅度的拉伸-舒張循環(huán)下，沒有漏極電流變化，顯示出了很好的可持續(xù)性。
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