Nano Research综述:新材料在柔性光电子领域的开发及应用

【引言】

光电器件可分为光子接收器件（例如光电探测器（PD））、发光器件（例如激光二极管、发光二极管（LED））、光伏器件（例如太阳能电池）和光通信器件（例如光耦合器、电光调制器）。在过去的几十年里，在刚性衬底上提高光电器件的性能方面已经取得了巨大的进展，这使高性能相机、显示器和能源采集器件等各种应用成为可能。同时，众多的研究者也已经在弯曲图像传感器、可穿戴显示器、生物集成光电子学和柔性半导体激光器等柔性光电子学方面取得了重大进展。然而，光电子学材料具有机械刚性和脆性，以及不易兼容伸缩器件的特点。近年来，人们已经努力克服了传统不可伸缩光电子器件的限制，特别是它们在弯曲、折叠和拉伸变形条件下的机械稳定性差等问题。研究表明，能够使光电器件机械变形的主要方法是，使用本身具有柔性/拉伸的功能纳米材料或有机材料取代传统的电子/光电材料。此外，先进的器件设计和非常规的制造方法也有助于柔性光电器件的发展。

近日，韩国基础科学研究所Dae-Hyeong Kim教授（通讯作者）综述了为柔性光电器件（如可伸缩的PDs和LEDs）开发的纳米/微尺度材料和有机/聚合物材料，以及这些材料在新型光电系统中的应用。首先，作者回顾各种适合开发可伸缩光电探测器的材料，如纳米材料、有机材料及其混合材料，以及相应器件的性能。然后，描述了适用于可伸缩发光二极管的纳米材料和有机/聚合物材料。最后，综述了在柔性和可伸缩光电探测器和发光二极管中，具有代表性的系统级应用，并讨论了未来的应用前景，如可伸缩的生物集成光学传感器和光遗传刺激器。并且总结了目前最先进的新材料、器件设计和光电子学的非常规制造方法，同时讨论了剩余的有待克服的挑战。相关研究成果以“Materials and devices for flexible and stretchable photodetectors and light-emitting diodes”为题发表在Nano Research上。

【图文导读】

图一、柔性/可伸缩光电探测器和发光二极管中各种纳米材料和有机材料的示意图

图二、柔性光电新材料、先进器件设计和非常规制造方法的示意图

图三、基于纳米级光检测材料的柔性PDs

（a）基于Ag₂Se纳米颗粒的NIR PD；

（b）基于单晶硅纳米材料的PTRs；

（c）带喷墨印刷的透明MoS₂喷墨打印机；

（d）可进行紫外线检测的IGZO薄膜；

图四、基于有机光检测材料的柔性PDs

（a）NIR可检测到的有机PD；

（b）PTCDI-C₁₃H₂₇薄膜有机PTR阵列；

（c）大规模卷对卷打印有机BHJ PD；

图五、基于混合光检测材料的柔性PDs

（a）具有红外灵敏度的半导体SWNT/C₆₀ PTR；

（b）基于钙钛矿/MoS₂ BHJ的混合PD；

（c）多频图谱PD；

图六、基于无机发光材料的柔性和可伸缩发光二极管

（a）基于蛇形设计的AlInGaP光电器件；

（b）基于内部传输打印的RGD QLED阵列；

（c）基于有源式打印的QLED。

图七、基于有机发光材料的柔性和可伸缩LEDs。

（a）使用可打印弹性导体的AM OLED显示屏；

（b）具有石墨烯负极改性的OLEDs；

（c）基于大面积MoS₂的全彩色AM OLED显示屏；

图八、基于无机/有机材料的柔性和可拉伸的发光二极管

（a）基于屈曲法的PLEDs；

（b）基于CNT-聚合物复合电极的PLEDs；

（c）基于导电聚合物电极的PLEDs。

图九、柔性和可拉伸的PDs的成像应用

（a）受人类眼睛启发的CurvIS；

（b）受水生物视觉启发的光电二极管阵列；

（c）受节肢动物的眼睛启发的数码相机；

（d）功能三维体系结构中的二维材料。

图十、柔性和可拉伸LEDs的可穿戴应用

（a）超薄型QLED显示屏；

（b）压敏型电致发光型皮肤；

（c）受节肢动物的眼睛启发的数码相机。

（d）表皮状ACEL显示屏。

图十一、PDs和LEDs集成平台的可穿戴和植入式应用

（a）可穿戴脉冲血氧测量法；

（b）光电皮肤设计；

（c）植入式，发光式和光电器件设计；

（d）完全植入式无线光电传感器

【小结】

综上所述，本综述总结了涵盖各种类型的纳米/微尺度和有机/聚合物材料，在LED和PDs等单元器件中的应用，以及它们在最常见的柔性和可拉伸光电器件中的系统级应用。本文还简要综述了制造各种柔性和可伸缩光电器件的先进设计和非常规制造方法。同时，使用可变形的纳米级和有机材料制造PDs和LEDs的非传统的设计概念和处理原理，形成了一种新的多功能器件平台。这种新型设备平台对于构建可伸缩光电子学，如生物启发弯曲成像传感器阵列，可穿戴发光器件以及用于可穿戴和可植入设备应用的LED和PD的集成系统极其有效。

文献链接：“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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