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柔性电子材料研究热点纵览

供稿人:温一村  供稿时间:2019-12-2   关键字:柔性电子材料  可拉伸高分子半导体材料  柔性半导体材料  

柔性电子产品可以弯曲、伸展,有时甚至还是可穿戴的,能够给出人类的生命体征数据。柔性电子被认为是电子行业的未来。近期该材料的研发亮点主要集中在可拉伸高分子半导体材料和柔性半导体材料上。

一、可拉伸高分子半导体材料有望同时满足柔性和导电性要求

可拉伸材料与电子器件能够与复杂的曲面表面无缝衔接,可显著扩展传统刚性电子器件在传感、监测、诊断和干预等功能方面的能力,在场效应晶体管、传感器、光电组件(可拉伸电极)、纳米发电机、超级电容及加热器、可穿戴电子器件、柔性能源及仿生器件等新兴领域具有重要应用。

该领域比较典型的做法是利用共轭聚合物这种柔性有机半导体材料,对共轭聚合物进行分子结构优化、共混掺杂改性以及纳米线/纤维网络结构的构筑,以显著提升其柔性,但这往往导致原本可以媲美多晶硅载流子迁移率的共轭聚合物在电学性能上出现下降,看起来似乎“鱼与熊掌不可得兼”。美国斯坦福大学鲍哲南研究组是该领域的核心团队,许多工作都具有引领性和开创性。

鲍哲南教授是首位摒弃了以往在弹性体里混合纳米纤维或纳米线等柔性半导体制备策略的研究人员,通过减少共轭聚合物链结构中的刚性结晶性结构单元,同时分段骨干引入易形成氢键的弹性结构单元,实现了应变产生时材料依然具有较高的电子迁移能力的目标。

区别于上述对共轭聚合物进行精确的分子结构优化调控的策略,该研究团队还首次提出了聚合物的纳米限域方法,将表面能相匹配的共轭聚合物DPPT-TT与弹性体SEBS进行纳米尺度的共混,基于共轭聚合物与弹性体相分离(CONPHINE)产生纳米限域效应,以抑制聚合物结晶、增强聚合物链的运动能力,制备得到了具有高电荷迁移速率的柔性有机半导体器件。

近日,该团队还首次成功开发出可以量产的高密度、高灵敏度、可拉伸晶体管阵列。据此研发出一种电子皮肤,可将柔性电子装置粘附到人体皮肤表面,与同类产品相比,佩戴舒适度、从皮肤获取的信息量和信号保真度都有显著提高,未来可用于健康监测和医学治疗。

合肥工业大学近日利用金属纳米线的有序组装成功研制出兼具自修复性、高导电性以及优异抗拉伸性和电机械稳定性的弹性导体材料。

二、柔性半导体材料取得多项突破

中科院上海硅酸盐研究所发现了一种特殊的半导体材料α-Ag2S,该材料在室温具有和金属一样延展性和可弯曲性,有望应用于柔性电子。

中科院金属所研发出一种新型碲化铋-碳纳米管复合自支撑热电薄膜,该复合材料表现出与商用块体碲化铋相当的热电性能和良好的弯曲柔性。

麻省理工学院开发了一种新技术,可制备多种超薄的非硅半导体薄膜,比如砷化镓、氮化镓以及氟化锂柔性薄膜,利用该技术,可制备任意半导体元素组合的柔性电子器件,并且成本低。

日本京都大学研究人员发现,在一种名为“钇铁石榴石”的磁性绝缘体上将重金属铂制成只有2纳米厚的超薄膜时,它可以像半导体一样,通过外部电压控制电阻,这一发现与传统的固体物理学常识不符,将有助于电子学和自旋电子学领域的发展。


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