经典大放送 十二篇综述带你走进柔性电子领域

【前言】

柔性电子是一种技术的通称，是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求。但是相应的技术要求同样制约了柔性电子的发展。首先，柔性电子在不损坏本身电子性能的基础上的伸展性和弯曲性，对电路的制作材料提出了新的挑战和要求；其次，柔性电子的制备条件以及组成电路的各种电子器件的性能相对于传统的电子器件来说仍然不足，也是其发展的一大难题。近年来，柔性电子领域的研究异常火热，使得该领域的发展日新月异并取得了长足的进展。本文将从以下三个方面分别介绍多篇经典综述，希望能够使读者快速走进柔性电子的世界。

1.柔性电子领域

柔性电子涵盖有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等，包括RFID、柔性显示、有机电致发光(OLED)显示与照明、化学与生物传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备等多种应用。随着其快速的发展，涉及到的领域也进一步扩展，目前已经成为交叉学科中的研究热点之一。2012在PROCEEDINGS OF THE IEEE杂志刊登了关于柔性电子的经典综述1。同年John A. Rogers发表综述文章描述了生物医学领域柔性电子的发展2。鲍哲楠在2013年Advanced Materials 25周年纪念文章中阐述了柔性电子应用在电子皮肤方面的研究进展3。Alessandro Chiolerio教授2014年发表了经典综述，进一步讨论了柔性电子器件制作可穿戴设备的研究进展和发展趋势4。

柔性电子领域

柔性人造电子皮肤的发展

可穿戴柔性电子设备

2.柔性电子器件的材料

1) 碳纳米管

碳纳米管（CNT）由于其高的本征载流子迁移率，导电性和机械灵活性而成为用于柔性电子学的有前途的材料，既作为场效应晶体管（FET）中的沟道材料又作为透明电极。管状碳基纳米结构可以被设想成石墨烯卷成一个无缝的圆柱体，它们独特的性质使其成为理想的候选材料。因为它们具有高的固有载流子迁移率和电导率，机械灵活性以及低成本生产的潜力。另一方面，薄膜基碳纳米管设备为实现商业化提供了一条实用途径。John A. Rogers与鲍哲楠教授分别发表了专题文章描述了基于CNT的柔性器件的处理和应用，回顾了柔性电子器件中碳纳米管的最新进展5,6。

基于碳纳米管的柔性电子制造

2) 氧化锌

氧化锌是一种众所周知的宽带隙半导体材料（室温下3.4 eV，晶体），它有很多应用，如透明导体，压敏电阻，表面声波，气体传感器，压电传感器和UV检测器。并因为可能应用于薄膜晶体管方面正受到相当的关注。同时氧化锌还具有相当良好的生物相容性，可降解性。E.Fortunato教授介绍了基于氧化锌的新型薄膜晶体管所带来的主要优势，这些薄膜晶体管在下一代柔性电子器件中非常有前途7。

  除此之外，还有众多的二维材料被应用于柔性电子领域，包括石墨烯、半导体氧化物，纳米金等。2014年发表在chemical review和nature nanotechnology上的两篇经典综述详尽阐述了二维材料在柔性电子的应用8,9。

3.柔性电子制造方法

1) 转移印刷

转印是一系列用于将微米和纳米材料确定性组装成具有二维和三维布局的空间组织的功能性布置技术。John A. Rogers总结了各种转移印刷技术的最新进展，从机械和材料方面，到在不同复杂程度的系统中使用它们的工程特点。并介绍了基础和应用研究以及这些方法在高产量工业规模制造中的应用10。

2) 喷墨印刷

喷墨印刷，被称为数字书写技术，可以直接沉积功能性材料以在基材上形成图案。黄永安教授的文章概述了用于柔性电子产品的喷墨打印技术。包括材料挑战，工艺进展以及设备研究情况11。

3) 纤维结构形成

除了常见的印刷以及经典的沉积方法，基于纤维结构的柔性电子器件制作方法也非常适合可穿戴电子产品，这些电子产品具有重量轻，持久，灵活和舒适的特点。陶小明教授讨论了关于基于纤维结构的柔性电子器件当前材料的限制，制造技术，以及设备的限制，以及在广泛推广使用之前必须加以改进的科学理解12。

纤维机构的柔性器件

另外，柔性电子的研究中，除了以上方面，柔性器件制造、柔性基底选择等领域也是研究的热点和难点。篇幅所限不详细讨论。综上，本文简单介绍了数篇柔性电子领域的重要综述，希望读者朋友能从中获得一些帮助，对柔性电子领域有一个简单的认识了解。

【参考文献】

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).

本文由材料人专栏科技顾问张淇供稿，材料牛整理编辑。

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