柔性電子柔性電子器件的材料

柔性電子1) 碳納米管

碳納米管（CNT）由于其高的本征載流子遷移率，導(dǎo)電性和機(jī)械靈活性而成為用于柔性電子學(xué)的有前途的材料，既作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）中的溝道材料又作為透明電極。管狀碳基納米結(jié)構(gòu)可以被設(shè)想成石墨烯卷成一個(gè)無縫的圓柱體，它們獨(dú)特的性質(zhì)使其成為理想的候選材料。因?yàn)樗鼈兙哂懈叩墓逃休d流子遷移率和電導(dǎo)率，機(jī)械靈活性以及低成本生產(chǎn)的潛力。另一方面，薄膜基碳納米管設(shè)備為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化提供了一條實(shí)用途徑。John A. Rogers與鮑哲楠教授分別發(fā)表了專題文章描述了基于CNT的柔性器件的處理和應(yīng)用，回顧了柔性電子器件中碳納米管的最新進(jìn)展。

柔性電子2)氧化鋅

氧化鋅是一種眾所周知的寬帶隙半導(dǎo)體材料（室溫下3.4 eV，晶體），它有很多應(yīng)用，如透明導(dǎo)體，壓敏電阻，表面聲波，氣體傳感器，壓電傳感器和UV檢測(cè)器。并因?yàn)榭赡軕?yīng)用于薄膜晶體管方面正受到相當(dāng)?shù)年P(guān)注。同時(shí)氧化鋅還具有相當(dāng)良好的生物相容性，可降解性。E.Fortunato教授介紹了基于氧化鋅的新型薄膜晶體管所帶來的主要優(yōu)勢(shì)，這些薄膜晶體管在下一代柔性電子器件中非常有前途。

除此之外，還有眾多的二維材料被應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域，包括石墨烯、半導(dǎo)體氧化物，納米金等。2014年發(fā)表在chemical review和nature nanotechnology上的兩篇經(jīng)典綜述詳盡闡述了二維材料在柔性電子的應(yīng)用。

柔性電子涵蓋有機(jī)電子、塑料電子、生物電子、納米電子、印刷電子等，包括RFID、柔性顯示、有機(jī)電致發(fā)光(OLED)顯示與照明、化學(xué)與生物傳感器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲(chǔ)、柔性電池、可穿戴設(shè)備等多種應(yīng)用。隨著其快速的發(fā)展，涉及到的領(lǐng)域也進(jìn)一步擴(kuò)展，目前已經(jīng)成為交叉學(xué)科中的研究熱點(diǎn)之一。

柔性電子概述

隨著電子設(shè)備的發(fā)展，柔性電子設(shè)備越來越受到大家的重視，這種設(shè)備是指在存在一定范圍的形變（彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、壓縮或拉伸）條件下仍可工作的電子設(shè)備。

柔性電子定義

柔性電子可概括為是將有機(jī)/無機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術(shù)，以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如柔性電子顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管OLED、印刷RFID、薄膜太陽能電池板、電子用表面粘貼(Skin Patches)等。與傳統(tǒng)IC技術(shù)一樣，制造工藝和裝備也是柔性電子技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。柔性電子制造技術(shù)水平指標(biāo)包括芯片特征尺寸和基板面積大小，其關(guān)鍵是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性電子器件。

柔性電子1) 轉(zhuǎn)移印刷

轉(zhuǎn)印是一系列用于將微米和納米材料確定性組裝成具有二維和三維布局的空間組織的功能性布置技術(shù)。John A. Rogers總結(jié)了各種轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)的最新進(jìn)展，從機(jī)械和材料方面，到在不同復(fù)雜程度的系統(tǒng)中使用它們的工程特點(diǎn)。并介紹了基礎(chǔ)和應(yīng)用研究以及這些方法在高產(chǎn)量工業(yè)規(guī)模制造中的應(yīng)用。

柔性電子2)噴墨印刷

噴墨印刷，被稱為數(shù)字書寫技術(shù)，可以直接沉積功能性材料以在基材上形成圖案。黃永安教授的文章概述了用于柔性電子產(chǎn)品的噴墨打印技術(shù)。包括材料挑戰(zhàn)，工藝進(jìn)展以及設(shè)備研究情況。

柔性電子3) 纖維結(jié)構(gòu)形成

除了常見的印刷以及經(jīng)典的沉積方法，基于纖維結(jié)構(gòu)的柔性電子器件制作方法也非常適合可穿戴電子產(chǎn)品，這些電子產(chǎn)品具有重量輕，持久，靈活和舒適的特點(diǎn)。陶小明教授討論了關(guān)于基于纖維結(jié)構(gòu)的柔性電子器件當(dāng)前材料的限制，制造技術(shù)，以及設(shè)備的限制，以及在廣泛推廣使用之前必須加以改進(jìn)的科學(xué)理解。

柔性電子技術(shù)有可能帶來一場(chǎng)電子技術(shù)革命，引起全世界的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。美國(guó)《科學(xué)》雜志將有機(jī)電子技術(shù)進(jìn)展列為2000年世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、生物克隆技術(shù)等重大發(fā)現(xiàn)并列。美國(guó)科學(xué)家艾倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學(xué)家白川英樹由于他們?cè)趯?dǎo)電聚合物領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

柔性電子技術(shù)是行業(yè)新興領(lǐng)域，它的出現(xiàn)不但整合電子電路、電子組件、材料、平面顯示、納米技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)外，同時(shí)橫跨半導(dǎo)體、封測(cè)、材料、化工、印刷電路板、顯示面板等產(chǎn)業(yè)，可協(xié)助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如塑料、印刷、化工、金屬材料等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。其在信息、能源、醫(yī)療、制造等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用重要性日益凸顯，已成為世界多國(guó)和跨國(guó)企業(yè)競(jìng)相發(fā)展的前沿技術(shù)。美國(guó)、歐盟、英國(guó)、日本等相繼制定了柔性電子發(fā)展戰(zhàn)略并投入大量科研經(jīng)費(fèi)，旨在未來的柔性電子研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中搶占先機(jī)。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了針對(duì)柔性電子的重大研究計(jì)劃，如美國(guó)FDCASU計(jì)劃、日本TRADIM計(jì)劃、歐盟第七框架計(jì)劃中PolyApply和SHIFT計(jì)劃等，僅歐盟第七框架計(jì)劃就投入數(shù)十億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，重點(diǎn)支持柔性顯示器、聚合物電子的材料/設(shè)計(jì)/制造/可靠性、柔性電子器件批量化制造等方面基礎(chǔ)研究。

在最近的10年間，康奈爾大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、哈佛大學(xué)、西北大學(xué)、劍橋大學(xué)等國(guó)際著名大學(xué)都先后建立了柔性電子技術(shù)專門研究機(jī)構(gòu)，對(duì)柔性電子的材料、器件與工藝技術(shù)進(jìn)行了大量研究。柔性電子技術(shù)同樣引起了我國(guó)研究人員的高度關(guān)注與重視，在柔性電子有機(jī)材料制備、有機(jī)電子器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面開展了大量的基礎(chǔ)研究工作，并取得了一定進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京郵電大學(xué)、上海大學(xué)等單位在有機(jī)光電（高）分子材料和器件、發(fā)光與顯示、太陽能電池、場(chǎng)效應(yīng)管、場(chǎng)發(fā)射、柔性電子表征和制備、平板顯示技術(shù)、半導(dǎo)體器件和微圖案加工等方面進(jìn)行了頗有成效的研究。近年來，華中科技大學(xué)在RFID封裝和卷到卷制造、廈門大學(xué)在靜電紡絲等方面取得了研究進(jìn)展。

知名經(jīng)濟(jì)學(xué)家劉姝威在近日表示：“柔宇通過核心技術(shù)自主創(chuàng)新，開創(chuàng)了一個(gè)全新的柔性電子產(chǎn)業(yè)。

公開了柔性顯示器和包括該柔性顯示器的電子裝置，在柔性顯示器中，背板具有改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，以便即使在重復(fù)折疊和展開操作期間也能穩(wěn)定地支承顯示面板，并且該柔性顯示器還可防止其中的特定組成元件的下垂或變形。

前言

第1章 柔性電子器件概述 1

1.1 引言 1

1.2 柔性電子器件的基本結(jié)構(gòu) 6

1.2.1 柔性襯底 8

1.2.2 柔性電極和互聯(lián)導(dǎo)體 9

1.2.3 柔性功能材料和柔性電子元件 10

1.2.4 柔性封裝層 11

1.3 柔性可穿戴電子設(shè)備中的核心硬件技術(shù) 11

1.3.1 電路技術(shù) 11

1.3.2 傳感器技術(shù) 11

1.3.3 存儲(chǔ)器技術(shù) 13

1.3.4 顯示技術(shù) 13

1.4 柔性可穿戴電子設(shè)備未來發(fā)展趨勢(shì) 14

參考文獻(xiàn) 15

第2章 柔性導(dǎo)電材料與電路 19

2.1 柔性電路的定義及重要性 19

2.2 柔性電路的導(dǎo)電材料 19

2.2.1 金屬薄膜 19

2.2.2 納米晶墨水 21

2.2.3 液態(tài)金屬 23

2.2.4 其他 25

2.3 柔性電路的制備方法 25

2.3.1 傳統(tǒng)微電子加工技術(shù) 25

2.3.2 印刷技術(shù) 25

2.3.3 其他技術(shù) 30

2.4 柔性電路的應(yīng)用 32

2.5 總結(jié)與展望 33

參考文獻(xiàn) 34

第3章 柔性應(yīng)力敏感材料與應(yīng)力傳感器 37

3.1 柔性應(yīng)力傳感器的應(yīng)用背景 37

3.2 柔性應(yīng)力敏感材料與應(yīng)力傳感器 37

3.2.1 電阻式柔性應(yīng)力傳感器 38

3.2.2 電阻式可拉伸應(yīng)力傳感器 41

3.2.3 電容式柔性應(yīng)力傳感器 43

3.2.4 壓電式柔性應(yīng)力傳感器 46

3.2.5 基于其他原理的柔性應(yīng)力傳感器 48

3.3 總結(jié)和展望 49

參考文獻(xiàn) 50

第4章 柔性環(huán)境傳感材料與傳感器 53

4.1 濕度傳感器 53

4.1.1 濕度傳感器的簡(jiǎn)介 53

4.1.2 濕度傳感器的工作原理 53

4.1.3 柔性濕度傳感器 54

4.2 溫度傳感器 57

4.2.1 溫度傳感器的簡(jiǎn)介 57

4.2.2 溫度傳感器的工作原理 57

4.2.3 柔性溫度傳感器 58

4.3 氣體傳感器 60

4.3.1 氣體傳感器的簡(jiǎn)介與工作原理 60

4.3.2 柔性氣體傳感器 61

4.4 總結(jié)與展望 65

參考文獻(xiàn) 65

第5章 柔性光敏感材料與光探測(cè)器 69

5.1 引言 69

5.2 光探測(cè)器基本原理、性能參數(shù)及主要器件結(jié)構(gòu) 69

5.2.1 光探測(cè)基本原理 69

5.2.2 光探測(cè)性能參數(shù) 70

5.2.3 光探測(cè)器件結(jié)構(gòu) 71

5.3 柔性光探測(cè)器的材料 74

5.4 總結(jié)與展望 83

參考文獻(xiàn) 84

第6章 柔性磁傳感和存儲(chǔ)材料與器件 87

6.1 引言 87

6.2 可彎曲柔性磁傳感器 87

6.2.1 柔性巨磁電阻多層膜傳感器 87

6.2.2 柔性磁性隧道結(jié)傳感器 92

6.2.3 其他柔性磁傳感器 93

6.3 可拉伸柔性磁傳感器 94

6.3.1 可拉伸巨磁電阻多層膜磁傳感器 95

6.3.2 可拉伸巨磁電阻自旋閥傳感器 99

6.4 柔性磁存儲(chǔ)器件 102

6.4.1 磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器的發(fā)展 102

6.4.2 柔性磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器 103

6.5 總結(jié)與展望 105

參考文獻(xiàn) 105

第7章 柔性阻變材料與阻變存儲(chǔ)器 107

7.1 引言 107

7.2 阻變存儲(chǔ)器的基本工作原理 107

7.3 柔性阻變存儲(chǔ)器的材料體系與發(fā)展現(xiàn)狀 109

7.3.1 柔性阻變存儲(chǔ)器的材料體系 109

7.3.2 柔性阻變存儲(chǔ)器的發(fā)展現(xiàn)狀 113

7.4 柔性阻變存儲(chǔ)器的力學(xué)性能 116

7.5 總結(jié)與展望 120

參考文獻(xiàn) 121

第8章 柔性發(fā)光材料與器件 127

8.1 引言 127

8.2 柔性發(fā)光器件的概況 127

8.2.1 發(fā)光技術(shù)的基本原理與器件結(jié)構(gòu) 127

8.2.2 發(fā)光器件的基本性能參數(shù) 129

8.2.3 柔性發(fā)光器件的發(fā)展歷程 130

8.3 柔性發(fā)光材料與器件的研究現(xiàn)狀 130

8.3.1 柔性襯底支撐材料 130

8.3.2 柔性透明電極材料 131

8.3.3 柔性發(fā)光材料 134

8.4 總結(jié)與展望 138

參考文獻(xiàn) 138

第9章 柔性半導(dǎo)體材料與晶體管 142

9.1 引言 142

9.2 柔性薄膜晶體管的器件結(jié)構(gòu)與工作原理 143

9.3 柔性薄膜晶體管的重要性能參數(shù) 145

9.4 柔性薄膜晶體管的主要材料 148

9.4.1 柔性襯底材料 148

9.4.2 柔性柵絕緣層材料 149

9.4.3 柔性半導(dǎo)體有源層材料 153

9.4.4 柔性電極材料 157

9.5 總結(jié)與展望 157

參考文獻(xiàn) 158

第10章 柔性吸波材料與吸波器件 161

10.1 引言 161

10.1.1 電磁波的應(yīng)用 161

10.1.2 電磁波的危害 162

10.2 柔性電磁波吸收材料的設(shè)計(jì)和制造 163

10.2.1 吸波材料設(shè)計(jì)原理 163

10.2.2 電磁波吸收劑 170

10.2.3 柔性吸波材料制造方法 176

10.3 柔性電磁波吸收材料的應(yīng)用與展望 180

10.3.1 柔性吸波材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 180

10.3.2 柔性吸波材料在民用領(lǐng)域的應(yīng)用 181

參考文獻(xiàn) 181

第11章 電子皮膚 184

11.1 人體皮膚概述 184

11.2 電子皮膚概述 185

11.3 電子皮膚材料 186

11.3.1 基底材料 187

11.3.2 敏感材料 188

11.4 電子皮膚的性能要求 192

11.4.1 生物兼容性 192

11.4.2 自我修復(fù)能力 192

11.4.3 自我供電能力 194

11.5 電子皮膚的應(yīng)用 195

11.5.1 體溫傳感 195

11.5.2 體征監(jiān)測(cè) 196

11.5.3 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè) 197

11.5.4 表情識(shí)別 198

11.6 總結(jié)與展望 199

參考文獻(xiàn) 200

索引 204

彩圖 2100433B

本書簡(jiǎn)要介紹柔性電子器件出現(xiàn)的背景、應(yīng)用領(lǐng)域、基本結(jié)構(gòu)和核心硬件技術(shù)，系統(tǒng)闡述柔性電路、應(yīng)力傳感器、環(huán)境傳感器、光探測(cè)器、磁場(chǎng)傳感器和存儲(chǔ)器、阻變存儲(chǔ)器、發(fā)光器件、晶體管以及吸波器件的基本工作原理、器件結(jié)構(gòu)、材料選擇與制備方法以及在柔性化應(yīng)用中所遇到的機(jī)遇和挑戰(zhàn)等，詳細(xì)介紹相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展，并以電子皮膚為牽引探討柔性電子材料與器件未來的發(fā)展趨勢(shì)。