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可延展柔性無(wú)機(jī)微納電子器件原理與研究進(jìn)展
惠州工程技術(shù)學(xué)校 尹清華 2015/10/29 13:26:39
摘要：近年來(lái)由于可延展性電子已經(jīng)成為電子產(chǎn)業(yè)界以及學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。這種全新的設(shè)計(jì)，在保持電子器件高性能的同時(shí)，具備形狀可彎曲、伸縮等柔性性能。本文介紹了可延展柔性無(wú)機(jī)微納電子器件的工作原理，且分析了當(dāng)前的研究進(jìn)展，認(rèn)為隨著可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件的應(yīng)用以及技術(shù)的熟練，將會(huì)引發(fā)電子行業(yè)的巨大改革。
關(guān)鍵字：可延展性柔性微納電子器件；無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料；研究進(jìn)展
在當(dāng)今的生活中，人們對(duì)于電子產(chǎn)品的依賴更加緊密。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)上的一些觀念會(huì)被改變，微納電子器件是信息的基本組成單元，這種全新的電子器件，可以適應(yīng)多種不同的工作環(huán)境，促進(jìn)信息與人的結(jié)合。這種先進(jìn)的電子器件以充足的柔韌性及可延展化的特點(diǎn)，吸引到研究人員的注意力。隨著研究人員對(duì)于這種技術(shù)的熟悉，相信在不久的將來(lái)，運(yùn)用這種技術(shù)研發(fā)出的新產(chǎn)品，將會(huì)改變?nèi)藗兊纳�。目前，很多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)于柔性電子技術(shù)的研究，并且取得一定的成績(jī)。
一、可延展柔性無(wú)極電子器件原理
1、理論基礎(chǔ)及原理
對(duì)于傳統(tǒng)的有柔性電子技術(shù)，受限于有機(jī)半導(dǎo)體具有硬、脆的特性，很大程度上影響自身應(yīng)用空間。有機(jī)電子器件也可以彎曲和變形，但他們的物理學(xué)性能跟無(wú)機(jī)半導(dǎo)體器件相比還是有一定差距。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料雖然有明顯的缺點(diǎn)，但是因其自身優(yōu)越的物理學(xué)特性，仍對(duì)于微電子器件研究者具體很大的吸引力。柔性無(wú)極電子技術(shù)是將硅基體與柔性基體結(jié)合，通過(guò)力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并利用基體的柔性實(shí)現(xiàn)整體的可彎曲與可延展。由于硅基芯片較脆且比較厚重，而這種設(shè)計(jì)完全可以克服這個(gè)缺點(diǎn)，使柔性電子產(chǎn)品在具備高性能的同時(shí)，也具備質(zhì)量更輕，更便捷的特性。對(duì)于柔性電子器件的研究以及應(yīng)用在今后必將對(duì)人類的生活產(chǎn)生巨大影響。柔性器件設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于對(duì)結(jié)構(gòu)的柔性化設(shè)計(jì)，以塑料直管和波紋管為例，前者的可拉伸和彎曲能力很小，后者通過(guò)波紋結(jié)構(gòu)的伸縮特性使其具有拉伸和彎曲變形能力。所以，柔性無(wú)機(jī)電子器件主要基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使基于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的功能電子器件與柔軟的承載基體集成，避免在變形中隔離集體變性對(duì)無(wú)機(jī)功能部件的影響。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于保留了半導(dǎo)體器件優(yōu)越特性的同時(shí)又控制低成本，并且使電子器件具有變形能力。
二、研究進(jìn)展以及遇到的問(wèn)題
1、研究的進(jìn)展
目前通用的常規(guī)電子器件一般都是剛性基板上的硅晶片集成技術(shù)，其硬脆的性質(zhì)使電子器件難以進(jìn)行彎曲或延展，一旦變形可能會(huì)導(dǎo)致電子器件的結(jié)構(gòu)破壞或性能失效。因此傳統(tǒng)的常規(guī)電子器件難以適應(yīng)下一代電子產(chǎn)品在便捷性跟柔性方面的高要求。早在1998年，N.Bowden等人就提出金屬薄膜在彈性基底上的有序屈曲現(xiàn)象； Bell實(shí)驗(yàn)室的研究者們通過(guò)將薄膜晶體管與柔性基體的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了1KHZ時(shí)鐘頻率下的電子線路。阻礙有機(jī)電子朝實(shí)用化與工業(yè)化發(fā)展的根本因素，還是由于兩者之間各自的物理特性存在差異導(dǎo)致的。可延展柔性電子重量輕、可彎曲、可伸展以及可適應(yīng)復(fù)雜不平整表面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其具有廣闊的發(fā)展前景。近些年，像康奈爾大學(xué)、哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、西北大學(xué)等著名大學(xué)都建立了柔性電子技術(shù)專門的研究機(jī)構(gòu)，柔性電子技術(shù)也引起了國(guó)內(nèi)的相關(guān)人員的關(guān)注與重視，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等十幾所名校在發(fā)光與顯示、太陽(yáng)能電池、平板顯示技術(shù)等方面取得了研究進(jìn)展。美國(guó)伊利諾大學(xué)在由John Rogers教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種可變形電池，這種電池不僅柔軟，更為奇特的是他可以在原有的尺寸上拉大三倍，同時(shí)可無(wú)線充電，且不影響電池性能。這些研究成果的出現(xiàn)，堅(jiān)定了研究人員在對(duì)柔性電子領(lǐng)域方面探索的信心。
2、遇見(jiàn)的問(wèn)題
通過(guò)化學(xué)合成的方法來(lái)制備半導(dǎo)體中納米條的組裝和特性研究尚不深入，柔性襯底上高性能的納米條薄膜晶體管的組裝技術(shù)仍需優(yōu)化；在應(yīng)對(duì)硅納米薄膜中產(chǎn)生的摻雜、制作工序和性能利用方面，具有高速柔性的電子器件設(shè)備是存在很大發(fā)展?jié)摿Γ辉谌嵝蕴?yáng)電池方面以及超薄單晶硅太陽(yáng)陣列的制造方面，微納米條制造技術(shù)還尚不成熟；通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)技術(shù)制作無(wú)規(guī)則網(wǎng)狀單壁碳納米管薄膜的技術(shù)仍需努力加強(qiáng)；柔性生物傳感器方面，碳納米管和石墨烯等用于柔性傳感器的材料制備技術(shù)還不成熟，還需要深入研究柔性傳感器的組裝、排列、繼承和封裝技術(shù)；在柔性生物傳感器、柔性儲(chǔ)存器等更高端或特殊用途的相關(guān)產(chǎn)品上的研發(fā)還很欠缺。眾多方面的問(wèn)題說(shuō)明了研究人員在可延展柔性無(wú)機(jī)微納電子器件方面的探索仍任重而道遠(yuǎn)。
結(jié)束語(yǔ)
隨著越來(lái)越多的研究人員加入到柔性電子的研究工作中，必將使柔性電子器件的力學(xué)性能不斷提高。而作為信息載體的各種微電子器件一旦實(shí)現(xiàn)柔性化，必將從本質(zhì)上促進(jìn)人與信息的互相結(jié)合，另一方面信息量及其處理也必然要求電子器件高速化、智能化、因此，同時(shí)具（未完，下一頁(yè)）
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