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柔性电子

柔性电子专题编者按  

DOI: 10.7498/aps.69.170101 

       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. 

      柔性电子从广义上讲, 包括了柔性显示、柔性电子、柔性传感与柔性能源. 在柔性传感方面, 许多智能化的检测设备已经大量采用了各种各样的传感器, 其应用早已渗透到诸如工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、智能家居等方方面面. 针对特殊环境, 特别是人体健康参数的测量需求, 普通传感器面临新的挑战. 新型传感器技术已向以下趋势发展: 开发新材料、新工艺和开发新型传感器; 实现传感器的高灵敏度和稳定性, 同时实现优异的生物相容与可降解性能. 同时, 在力学方面, 希望传感器具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点. 随着柔性基质材料的发展, 满足上述各类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运而生. 

     此外, 柔性能源器件的制备是柔性电子器件发展的关键技术之一. 可穿戴电子器件的能源供给问题目前仍亟待解决. 自驱动电子器件概念的提出, 为解决续航问题提供了重要思路. 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, 在可穿戴能源器件领域有着巨大的发展潜力. 另外, 在能源存储方面, 柔性/可拉伸超级电容器由于具备尺寸小、结构多变、安全性高以及舒适度好等优点, 成为可穿戴电子设备中供电单元的热门候选者之一. 与传统电容器、锂离子等相比, 超级电容器可以提供更高的功率密度, 更快的充电速度, 以及更长的使用周期, 这些参数对于可穿戴电子的进一步优化与发展至关重要. 

       柔性电子除具有强大的应用背景之外, 其独特的性质对材料与器件加工工艺提出了全新的要求, 这将是应用电子、物理、光学的新课题. 此外, 如何在柔性介观非有序的介质上, 实现可控力学、声、光、电、磁的功能以及对新机制的描述与定量研究, 无疑将成为统计物理学、软介观物理学、材料学的新挑战. 

        为让广大物理学工作者进一步了解该领域的进展, 我们邀请了国内若干活跃在该领域前沿的中青年专家撰稿, 合成这样一期以短篇综述为主的专题, 较为全面和深入地介绍该领域已取得的部分成果以及最新进展. 从研究内容上, 可大致分为三部分: 第一部分主要涉及柔性/可穿戴传感材料及其器件的研究; 第二部分集中在柔性神经电子元器件的研究; 第三部分集中在柔性自驱动能源及其储能器件方面的探索. 第一类研究包括: 1) 自驱动柔性生物医学传感器的研究进展; 2) 柔性压力传感器的原理及应用; 3) 蚕丝基可穿戴传感器的研究进展; 4) 用于触觉感知的自供能可拉伸压电橡胶皮肤电子器件; 5) 柔性压力传感器. 第二类柔性电子元器件, 包括: 1) 可拉伸导体的最新进展; 2) 蛋白质基忆阻器研究进展; 3) 基于水热法制备三氧化钼纳米片的人工突触器件. 第三类研究的综述包括: 1) 可拉伸超级电容器的研究进展: 电极、电解质和器件; 2) 基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件; 3) 基于压电纳米发电机的柔性传感与能量存储器件; 4) 柔性纤维状超级电容器的研究进展.希望这个专题能够为国内柔性电子相关领域研究的学术交流做一些贡献.

客座编辑:新加坡国立大学 刘向阳; 厦门大学 郭文熹
物理学报.2020, 69(17).
柔性电子专题编者按
2020, 69 (17): 170101. doi: 10.7498/aps.69.170101
摘要 +
基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件
丁亚飞, 陈翔宇
2020, 69 (17): 170202. doi: 10.7498/aps.69.20200867
摘要 +
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.
基于压电纳米发电机的柔性传感与能量存储器件
申茂良, 张岩
2020, 69 (17): 170701. doi: 10.7498/aps.69.20200784
摘要 +
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.
可拉伸导体的最新进展
何文倩, 周湘, 刘遵峰
2020, 69 (17): 177401. doi: 10.7498/aps.69.20200632
摘要 +
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.
柔性压力传感器的原理及应用
侯星宇, 郭传飞
2020, 69 (17): 178102. doi: 10.7498/aps.69.20200987
摘要 +
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.
柔性纤维状超级电容器的研究进展
张鑫, 陈星, 白天, 游兴艳, 赵鑫, 刘向阳, 叶美丹
2020, 69 (17): 178201. doi: 10.7498/aps.69.20200159
摘要 +
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.
用于触觉感知的自供能可拉伸压电橡胶皮肤电子器件
姚宽明, 姚靖仪, 海照, 李登峰, 解兆谦, 于欣格
2020, 69 (17): 178701. doi: 10.7498/aps.69.20200664
摘要 +
柔软、轻薄的皮肤电子器件是当今的研究热点之一, 在健康监测、疾病预防及治疗方面有诸多应用. 但是目前柔性能量供给器件从厚度和尺寸上仍然无法满足皮肤电子的集成要求. 本文主要阐述一种应用压电橡胶复合材料的柔性皮肤电子器件, 采用压电陶瓷材料锆钛酸铅(PZT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和石墨烯的混合体系组成柔性传感器. 混合后的压电橡胶材料柔软, 轻薄, 延展性良好, 结合优化力学性能的蛇形结构叉指电极以及PDMS柔性基底, 使该器件柔软、可拉伸, 能与皮肤无缝紧密贴合. 该触觉感知柔性皮肤电子器件不仅可以准确测量2.84—11.72 kPa范围的压力, 且能够适应弯曲、拉伸等机械变化, 并且在不同方向上的拉伸应变达到20%时都仍然能保持良好的压电性能, 证明该器件可以在人体日常动作造成的皮肤应变下保持良好的稳定性能. 该器件可以贴于体表以监测并区分触摸、点按、轻拍、敲击等动作, 输出的电能足够点亮15个LED灯泡, 在自供能皮肤电子领域有巨大发展和应用潜力.
蛋白质基忆阻器研究进展
史晨阳, 闵光宗, 刘向阳
2020, 69 (17): 178702. doi: 10.7498/aps.69.20200617
摘要 +
忆阻器作为一种可实现高密度、多功能、低功耗、多级数据存储的新型电子元器件, 为电路结构设计、信息存储理论及突触仿生模拟等领域带来了重大变革. 在广泛的忆阻器种类中, 蛋白质基忆阻器由于具有结构可控降解、原料丰富低廉、生物兼容等优势, 在可植入计算、人机交互、人机结合等前沿信息技术领域有着其他材料基忆阻器无可比拟的天然优势, 因此被视为是构建下一代高科技信息电子产品最具潜力的候选者. 本文归纳了近期蛋白质基忆阻器的研究进展, 首先总结了部分蛋白质的研究进展, 包含被广泛研究的鸡蛋白蛋白及性能优越的人工重组蛋白等, 然后进一步介绍了蚕丝蛋白基忆阻器的研究历程, 详细介绍了功能化策略所带给蚕丝蛋白基介观忆阻器的性能提升, 并分析了功能化蚕丝蛋白结构与性能之间的构效关系. 最后对蛋白质基忆阻器性能进行了综合分析, 并展望了该生物电子器件的未来发展契机.
蚕丝基可穿戴传感器的研究进展
李胜优, 刘镓榕, 文豪, 刘向阳, 郭文熹
2020, 69 (17): 178703. doi: 10.7498/aps.69.20200818
摘要 +
近年来, 可穿戴电子产品得到了广泛的研究, 为健康监测、人类疾病诊断和治疗以及智能机器人提供了新的机会. 传感器是可穿戴电子产品的关键组成部分之一. 蚕丝(bombyx mori)材料具有高产量、优异的拉伸强度(0.5—1.3 GPa)和韧性(6 × 104—16 × 104 J/kg)、良好的生物相容性、可降解性以及易加工性等特征. 随着生物材料和相关制造技术的快速发展, 蚕丝基先进材料被研究应用在可穿戴传感器中. 本文首先介绍了蚕丝自下而上的层结构以及蚕丝基先进材料的形态和特点, 随后综述了近年来蚕丝在可穿戴传感领域的研究进展, 包括机械(应力、应变)传感器、电生理传感器、温度传感器及湿度传感器等. 讨论和总结了不同传感器的工作机制、结构和性能, 蚕丝蛋白在其中的作用以及它们在健康监测中的应用. 最后, 提出蚕丝基可穿戴传感器在实际应用中所面临的挑战和未来展望.
自驱动柔性生物医学传感器的研究进展
谈溥川, 赵超超, 樊瑜波, 李舟
2020, 69 (17): 178704. doi: 10.7498/aps.69.20201012
摘要 +
柔性传感器是生物医学领域的研究热点, 受到了广泛的关注. 然而, 柔性传感器需要外部电池供能, 续航时间短, 这成为了制约其发展的瓶颈. 自驱动电子器件概念的提出, 为解决续航问题提供了重要思路. 本文梳理了自驱动柔性生物医学传感器的最新研究进展, 从原理、材料、器件和生物医学应用等角度出发, 概述了不同自驱动技术在人体生理信号传感方面的技术特点与研究现状, 重点介绍了部分穿戴式和植入式自驱动柔性传感器在人体的呼吸、脉搏、温度监测和人工感觉器官中的代表性研究工作. 最后, 本文还对自驱动柔性生物医学传感器当前的挑战和未来的发展趋势进行了展望和总结.
可拉伸超级电容器的研究进展:电极、电解质和器件
邵光伟, 郭珊珊, 于瑞, 陈南梁, 叶美丹, 刘向阳
2020, 69 (17): 178801. doi: 10.7498/aps.69.20200881
摘要 +
可拉伸超级电容器因在可穿戴电子和健康监测等领域的潜在应用而受到人们的广泛关注, 它不但具备普通超级电容器功率密度高、循环寿命长、安全、成本低等优点, 而且良好的柔软性和可拉伸性使其能够很好地与可穿戴系统进行集成. 本文对已有文献中可拉伸电极/器件的制备方法进行归类、分析, 详细总结了可拉伸电极/器件的三种制备方法, 即弹性聚合物基底、可拉伸结构设计以及弹性聚合物和可拉伸结构结合; 另外, 还介绍了多功能可拉伸超级电容器和高弹性凝胶电解质的研究进展; 最后, 分析总结了可拉伸超级电容器未来发展中仍需面临的一些挑战. 期望能够激发更多的研究创造以推动可拉伸超级电容器的实际应用.
基于水热法制备三氧化钼纳米片的人工突触器件
郭科鑫, 于海洋, 韩弘, 卫欢欢, 龚江东, 刘璐, 黄茜, 高清运, 徐文涛
2020, 69 (23): 238501. doi: 10.7498/aps.69.20200928
摘要 +
近年来, 在神经形态电子中, 能够模拟突触功能的人工突触器件的研发引起了广泛关注. 本文利用水热法制备出高比表面积的基于MoO3纳米片的薄膜, 并将其用于人工突触器件的制备, 成功模拟了如: 突触后兴奋电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、脉冲持续时间依赖可塑性(SDDP)、脉冲电压依赖可塑性(SVDP)及脉冲速率依赖可塑性(SRDP)等神经突触的重要功能.
柔性压阻式压力传感器的研究进展
李凤超, 孔振, 吴锦华, 纪欣宜, 梁嘉杰
2021, 70 (10): 100703. doi: 10.7498/aps.70.20210023
摘要 +
柔性压阻式压力传感器作为柔性压力传感器的重要分支, 具有结构简单、灵敏度高、工作范围大、响应速度快及稳定性高等特点, 在人类运动行为探测、健康监测、仿生电子皮肤开发及人机交互等领域均具有潜在发展需求. 但是截至目前, 如何同时实现低成本、高性能、低能耗和自驱动仍旧是柔性压阻式压力传感器未来所面临的挑战, 而新型传感机制的开发、新型功能化纳米材料的融合及柔性器件的新型制备工艺将是未来发展的方向. 本文综述了近年来柔性压阻式压力传感器的研究进展, 从传感机制出发, 对柔性压阻式压力传感器的活性层材料种类和微结构设计类型进行了总结, 最后对其未来的潜在应用进行了展望.
基于纳米发电机的触觉传感在柔性可穿戴电子设备中的研究与应用
王闯, 鲍容容, 潘曹峰
2021, 70 (10): 100705. doi: 10.7498/aps.70.20202157
摘要 +
柔性可穿戴电子设备因其在人工智能、健康医疗等领域的应用而受到了人们的极大关注. 然而, 如何降低功耗或实现自供能一直是阻碍其广泛应用的瓶颈. 随着纳米发电机与自驱动技术的兴起, 尤其以摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)代表的研究, 为解决可穿戴传感器电源的问题提供了可行的方案. TENG和PENG分别基于摩擦起电效应与压电效应, 可以将机械能转化为电能, 同时具备可拉伸性、生物相容性和自愈性等优良特性, 已经广泛应用于自驱动的触觉传感器的设计制备中, 并作为下一代可穿戴电子设备的技术基础展现出巨大的应用潜力. 基于该领域的最新进展, 本文对TENG与PENG的机理进行概述, 对其性能优化途径进行归纳, 再结合材料、器件的设计等讨论应力应变与分布、滑移等纳米发电机自驱动传感器的制备与应用研究. 最后, 对自驱动触觉传感器目前存在的问题与挑战进行讨论, 并对未来的发展进行展望.