基于压电纳米发电机的柔性传感与能量存储器件

柔性电子与柔性传感器件未来将广泛应用在物联网、可穿戴、可植入系统中,例如人体健康监控、触觉感知人造感官以及智能机器人电子皮肤等.柔性压电纳米发电机的能量转换特性,使其不仅可以作为供能器件,而且可以作为传感器件提供传感信号,可以解决柔性电子与自驱动技术中存在供能与性能的限制.纳米发电机利用调控界面与表面的极化电场可以获得高性能传感与能量存储,提供自驱动特性,同时具有与目前电子技术相媲美的高性能.本文综述了柔性压电纳米发电机在柔性传感与能量存储领域的最新研究进展.     

基于收缩高密度碳纳米管阵列的柔性固态超级电容器

柔性超级电容器因其加工方式灵活,具有高的能量密度和可剪裁可弯曲的特性,近年来受到广泛的关注.碳纳米管阵列凭借其自身良好的电化学性能、高效的电荷转移率和良好的循环寿命被视为理想的能量储存材料.然而原始碳纳米管阵列密度较小,且因管间较弱的相互作用力使得其在加工和转移过程中容易倒塌散落,从而限制了碳纳米管阵列直接用于组装柔性电子器件.本文应用无水乙醇对阵列进行收缩处理,在保持阵列高度取向优势的前提下大大增加了阵列的密度和机械强度,同时使用生物相容性好的聚乙烯醇(PVA)导电凝胶包埋碳纳米管阵列来制备柔性固态超级电容器件.PVA包埋的阵列复合体在折叠、弯曲过程中既能保持良好的机械稳定性和柔性,又能保持碳纳米管的高度取向性.使用原位电氧化对碳纳米管阵列外壁进行简单的电化学修饰,可以进一步提高该复合器件的性能.该方法为未来研发可穿戴电子器件以及可植入医学器件提供了新思路.     

可延展柔性无机微纳电子器件原理与研究进展

为适应下一代电子产品便携性、形状可变性、人体适用性等方面的进一步需求,近年来基于无机电子材料的可延展柔性电子技术成为全球电子产业界与学术界关注的新焦点.与有机柔性电子学器件不同,可延展柔性无机电子器件指的是建立在柔性基底上的无机电子组件.这种具有柔性的集成电路利用力学设计提供大变形,在保持无机脆性电子器件高性能和高可靠性的同时,具备形状可弯曲、可伸缩等柔性性能.本文综述了近年来无机柔性电子器件的进展,包括力学设计原理、基于界面黏附的转印集成方法以及柔性大变形下的失效机理等,并展望了未来的应用和发展.     

柔性压力传感器的原理及应用

柔性压力传感器作为一种新型的电子器件,它在人机交互、医疗健康、机器人触觉等应用领域具有比刚性传感器更大的优势,但也对材料提出了更严格的要求.例如,它要求构成器件的材料很薄、较软,在某些情况下可贴合于人体皮肤表面或者植入体内,这进一步要求材料具有良好的生物相容性,并能与生物组织实现良好的力学匹配.在器件性能方面,柔性压力传感器的设计主要关注于灵敏度、响应时间、检测限、稳定性等性能的提高.最近,研究者们又将目光拓展到了器件的压力响应范围、压力分辨率、空间分辨率及拉伸性能等,使得传感器具有更广阔的应用前景.本篇综述介绍了近年来柔性压力传感器研究的进展,主要包括柔性压力传感器的传感原理、传感性能及应用前景,并最后对该类器件的发展进行了展望.     

柔性磁性薄膜材料与器件研究进展

近年来,随着物联网、仿生机器人、移动式医疗健康等领域的兴起,柔性电子材料和器件受到广泛关注.基于磁性材料构建的传感器和存储器是电子器件的重要组成部分.随着柔性薄膜材料制备技术的发展,人们已经制备出高质量的柔性乃至可拉伸的磁性金属和氧化物薄膜,它们展现的不仅是更强的变形能力,还有新的物理效应与响应规律.研究结果表明,柔性磁电子器件在非接触传感、高灵敏应变探测、超分辨触觉感知等方面展现出独特的优势,具有广阔的应用前景.本文主要从柔性磁性材料的制备、物性调控规律和器件应用方面综述这一新兴领域的发展动态,并对其未来的发展趋势进行展望.     

柔性纤维状超级电容器的研究进展

随着柔性电子产品的不断发展,纤维状超级电容器(fiber-shaped supercapacitors, FSCs)凭借其重量轻、体积可控、弯曲拉伸性能好、可编织等优点引起了广泛关注. FSCs凭借着独特的一维纤维结构,可以与其他各类用电器件和发电器件等复合成多功能集成柔性电子器件,在可穿戴电子织物领域有着巨大的应用前景,被人们寄予了厚望.本文叙述了FSCs的最新进展,首先介绍了不同的纤维基底并分析了各自的优缺点;接着,总结了用于FSCs的碳材料、金属氧化物、金属硫化物、导电聚合物和混合纳米复合材料等电极材料,通过分析不同电极材料之间的区别和特性,表明不同的电极材料适用于不同用途的FSCs;然后,总结了FSCs在与其他元器件复合形成集成器件方面的应用,包括与一般用电器件、传感器、其他光电转化等发电器件集合成复合器件并应用到实际场景;最后,通过总结近年来FSCs研究所取得的成果,概述该领域当前面临的挑战,针对性地提出了目前FSCs发展的瓶颈和问题,并提出了对未来发展方向的设想和建议.     

LED柔性照明及显示用超弹性柔性荧光膜

柔性LED是近年来照明及显示领域研究的热点之一.本文提出了一种新的基于有机硅胶(PDMS)制备的兼具超弹性和柔性的荧光薄膜,它不仅在-50~230℃这一较宽的温度范围内展现了良好的热稳定性,还保持了原料荧光粉的光学性能.所制备的透明PDMS基质膜和相应的荧光膜具有完全的柔性和超弹性,其最大伸长率分别高达400%与275%.此外,采用所制掺YAG荧光膜和普通商用1 W蓝光芯片简单封装的白光LED灯珠满足日常白光照明的应用要求,呈现出约6925 K的平均色温,约71的平均显色指数,115.7 lm/W左右的平均发光效率.最后,基于所提出荧光膜成膜工艺而制备的三色3×3柔性阵列显示,可以轻易被拉伸、卷曲和折叠,显示了它在柔性照明及显示器件方面具有应用价值和潜力.     

柔性基周期性厚度梯度薄膜的应变效应

可控的表面微结构在柔性电子、仿生器件和能源材料等方面均具有重要的应用价值.本文采用编织铜网作为掩模板,利用磁控溅射技术在柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上制备具有周期分布的厚度梯度金属银薄膜,研究了薄膜在单轴压缩/拉伸过程中的形貌演化规律.实验发现,在单轴机械载荷作用下,银薄膜表面将形成相互垂直的条纹褶皱和多重裂纹.膜厚的梯度变化调制了薄膜的面内应力分布,导致褶皱在膜厚较小处率先形成,并逐渐扩展到膜厚较大区域,而裂纹则基本限定在膜厚较小区域.基于应力理论和有限元计算,对周期性厚度梯度薄膜的褶皱和裂纹的形貌特征、演化行为和物理机制进行了深入分析.该研究将有助于加深对非均匀薄膜体系的应变效应的理解,并有望通过梯度薄膜的结构设计在柔性电子等领域获得应用.     

柔性冷阴极新进展

由于在场致电子发射平板显示器、电子枪、X射线放射治疗、微波放大器件等真空微电子器件中具有重要的运用,因此基于准一维纳米材料冷阴极的研究引起了人们极大的研究兴趣。其中,由于在可卷曲场致电子发射平板显示器和柔性电子器件中具有重要应用前景,     

可拉伸导体的最新进展

可拉伸导体因能够适应较大的变形以及与三维不规则表面实现无缝接触,受到了广泛关注,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广阔的应用前景.在过去的几十年中,人们开发出了很多性能优异的导电纳米材料,如金属纳米线、碳纳米管、石墨烯和导电聚合物等.将导电纳米填料均匀分散到聚合物基质中是制备弹性导体的一种有效方法,可以实现导电性和拉伸性;另一种方法则是对导电复合物进行结构设计,引入可拉伸结构(如褶皱,网型,蛇形等),实现大形变下的性能稳定.本文主要总结了近五年来在弹性导体领域的最新进展,并指出了当前弹性导体领域存在的挑战.另外还讨论了一些柔性电子器件,如发光二极管、传感器、加热器等的研究现状,指明了柔性电子器件的发展趋势.     

氧化物半导体柔性电子学研究进展

柔性电子学器件在未来消费电子领域有巨大的应用前景,更是消费升级和社会进步的必然需求,在可穿戴传感、柔性显示、电子皮肤和可植入医疗等领域有着广泛的应用前景。柔性透明高压二极管器件在构建一体化光伏系统和自供电可穿戴设备的能源管理电路中有着巨大的应用潜力。文章首先设计并制作了一种新颖的柔性透明Zn O场效应二极管,其整流比可高达108,漏电流低至10-15A/μm,且制备工艺和普通TFT完全兼容。通过引入特定尺寸的错排(offset)区域,进一步制备了击穿电压最高可达150 V的柔性透明高压二极管;利用4个单元器件组合成柔性高压全波整流电路,成功地将摩擦纳米发电机产生的高压交流电整流为直流电,存储到超级电容器中。柔性光电探测器因具有轻便耐用、柔软便携、可与非平面组织贴合等独特优势,逐渐成为光电探测技术发展的一个新方向。通过微量调控生长过程中的氧流量,系统研究了柔性非晶Ga_2O_3日盲紫外探测器和X射线探测器的性能与材料制备过程中氧分压的对应关系,实现了对器件响应度和响应速度的调控,并给出了相应的物理模型;通过器件结构的设计与材料物性的调控,器件的性能得到了大幅提升,并显示出良好的耐高压、耐辐照和弯曲特性。     

柔性电子专题编者按

正柔性电子技术是利用柔性或可伸缩器件及其集成系统发展起来的一种新兴电子技术.这种柔性器件或系统是基于在柔性基底上集成大面积、大规模的不同材料和不同功能部件,实现具有可变形、重量轻和功能可重构的特点.这种新技术可以像传统的刚性电子器件一样实现数据的采集、处理、传输和显示.基于其卓越的整合性,可以实现"万物互联",为"物联网"提供强大的工具,将给信息、能源、医疗等领域带来应用革命.该技术为医疗保健、环境监测、显示和人机交互、能源、通信和无线互联网等领域开辟了新的前景.     

基于碳纳米管的柔性平面微型超级电容器

超薄电子器件的蓬勃发展和日益增长的人性化需求极大促进了可穿戴柔性微器件的发展,但是沉积电极材料在柔性基板上的技术仍处于起步阶段. 本文通过结合四面体制备器辅助涂层法和激光切割叉指构型技术,大规模地将碳纳米管沉积到商用印刷纸上作为电极,切割组装获得了柔性对称微型超级电容器. 制得的微型超级电容器的电化学性能可以通过简单地选择不同的四面体制备器模型制备不同厚度的碳纳米管薄膜进行调控. 优化获得的碳纳米管薄膜基微型超级电容器在0.02 mA的电流下,具有高达4.56 mF/cm²的面电容. 微型超级电容器经过连续10000次循环,器件的性能仍然可以保持接近100%. 四面体制备器辅助涂层方法和激光切割叉指构型技术为制备经济的微电子器件提供了新的视角. 附着碳纳米管的纸电极实现了可调控的面电容,在未来制备平面构型的不对称微超级电容器方面展示了广阔的应用前景.     

碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合薄膜的制备及力敏特性研究

针对传感器的敏感单元发展需求,提出了一种碳纳米管复合材料.该材料是以碳纳米管作为填充粒子,结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机基体,采用超声共混方法制备的一种新型传感器敏感元件.详细分析研究了复合材料的制备工艺参数,以及在不同工艺参数下该复合材料的力敏特性.扫描电镜测试表明碳纳米管在PDMS中分散均匀且镶嵌良好.通过对不同体积分数的碳纳米管与PDMS复合材料进行电学性能测试,研究薄膜的"力-电阻"和"力-电容"耦合性能,测试了薄膜结构的力敏效应.计算得到复合薄膜材料的压阻灵敏度因子达到40,压电容灵敏度因子达到70.实验研究表明,通过改变碳纳米管与PDMS的比例,可以很好地调节其电子输运特性以及电阻和电容的应力敏感特性,可以为该类型的力敏材料在不同的力敏传感技术领域提供新的研究思路.     

LED柔性照明及显示用超弹性柔性荧光膜(英)

柔性LED是近年来照明及显示领域研究的热点之一。本文提出了一种新的基于有机硅胶(PDMS)制备的兼具超弹性和柔性的荧光薄膜,它不仅在-50~230℃这一较宽的温度范围内展现了良好的热稳定性,还保持了原料荧光粉的光学性能。所制备的透明PDMS基质膜和相应的荧光膜具有完全的柔性和超弹性,其最大伸长率分别高达400%与275%。此外,采用所制掺YAG荧光膜和普通商用1 W蓝光芯片简单封装的白光LED灯珠满足日常白光照明的应用要求,呈现出约6 925 K的平均色温,约71的平均显色指数,115.7 lm/W左右的平均发光效率。最后,基于所提出荧光膜成膜工艺而制备的三色3×3柔性阵列显示,可以轻易被拉伸、卷曲和折叠,显示了它在柔性照明及显示器件方面具有应用价值和潜力。     

半导体材料的华丽家族—氮化镓基材料简介

GaN基氮化物材料已成功地用于制备蓝,绿,紫外光发光器件,日光盲紫外探测器以及高温,大功率微波电子器件,由于该材料具有大的禁带宽度,高的压电和热电系数,它们还有很强的其他应用潜力,诸如做非挥发存储器以及利用压电和热效应的电子器件等,在20世纪80年代末和90年代初,在GaN基氮化物材料的生长工艺上的突破引发了90年代GaN基器件,特别是光电子和高温,大功率微波器件方面的迅猛发展,文章评述了GaN基氮化物的材料特性,生长技术和相关器件应用。     

高温超导电子学:新的机会和新的挑战

自从发现氧化物高温超导体以来，世界各国竞相研究和开发高温超导电子器件，并力求付诸应用。这些器件可以工作在液氮温区（或用于小型的闭合循环制冷机）．在成本、维修、使用方便等方面较之液氦温区的器件有很大改进．更重要的是，高温趋导电子器件的工作温度与半导体器件的工作温度已经互相一致，因而有可能开发出超导体－半导体混合电路，提供独到的优良性能．由于高温超导体的能隙比低温超导体大致高出一个量级，电子器件的极限性能（例如截止频率）亦可望大大改进．本文主要讨论高温超导电子学的现况和存在的问题．     

基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件

随着电子器件向着小型化、功能化的方向迈进,可穿戴电子器件受到越来越多的关注,但是可穿戴电子器件的能源供给问题目前仍亟待解决.基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机具有成本低、选材广、柔性等特点,可以收集人体的低频、不规律能量并高效地转化为电能,在可穿戴带能源器件领域有着巨大的发展潜力.本文将首先介绍摩擦纳米发电机的四种基本工作模式以及摩擦起电机理的最新研究,然后从贴敷于人体皮肤的直接式能源收集与附着于衣物、鞋子等人体附属物的间接式能源收集两个部分详细综述基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件的研究进展.最后,对用于驱动电子器件的能量管理模块进行系统介绍,分析讨论目前可穿戴能源器件发展中的问题和瓶颈,探讨未来的发展方向.     

基于CsPbBr3钙钛矿量子点的高柔性绿光发光二极管

众所周知,柔性信息显示将在未来的光电应用中发挥重要作用。然而,由于电极材料和柔性衬底的选择有限,制备高效、稳定的柔性发光二极管仍然存在巨大的挑战。以光聚合物作为柔性衬底、CsPbBr3量子点作为发光层,成功地制备了柔性钙钛矿发光二极管。为了改善电子的注入和传输,采用Ag作阴极。结果表明,高柔性的钙钛矿发光二极管的最高亮度为10325 cd/m2且具有高色纯度(FWHM=19 nm)。此外,制备的钙钛矿发光二极管具有良好的柔性和机械延展性。在大约180°的弯曲角度下反复弯曲100次后,仍然保持着良好的器件性能。该研究为未来柔性显示器的应用奠定了研究基础。     

基于CsPbBr_3钙钛矿量子点的高柔性绿光发光二极管（英文）

众所周知,柔性信息显示将在未来的光电应用中发挥重要作用。然而,由于电极材料和柔性衬底的选择有限,制备高效、稳定的柔性发光二极管仍然存在巨大的挑战。以光聚合物作为柔性衬底、CsPbBr_3量子点作为发光层,成功地制备了柔性钙钛矿发光二极管。为了改善电子的注入和传输,采用Ag作阴极。结果表明,高柔性的钙钛矿发光二极管的最高亮度为10 325 cd/m~2且具有高色纯度(FWHM=19 nm)。此外,制备的钙钛矿发光二极管具有良好的柔性和机械延展性。在大约180°的弯曲角度下反复弯曲100次后,仍然保持着良好的器件性能。该研究为未来柔性显示器的应用奠定了研究基础。