可延展柔性無機微納電子器件原理與研究進展

尹清華

（惠州工程技術(shù)學校,廣東 惠州 516001）

在當今的生活中，人們對于電子產(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，可以適應多種不同的工作環(huán)境，促進信息與人的結(jié)合。這種先進的電子器件以充足的柔韌性及可延展化的特點，吸引到研究人員的注意力。隨著研究人員對于這種技術(shù)的熟悉，相信在不久的將來，運用這種技術(shù)研發(fā)出的新產(chǎn)品，將會改變?nèi)藗兊纳睢Ｄ壳埃芏嗫蒲袡C構(gòu)已經(jīng)開展了對于柔性電子技術(shù)的研究，并且取得一定的成績。

1 可延展柔性無極電子器件原理

理論基礎(chǔ)及原理：對于傳統(tǒng)的有柔性電子技術(shù)，受限于有機半導體具有硬、脆的特性，很大程度上影響自身應用空間。有機電子器件也可以彎曲和變形，但他們的物理學性能跟無機半導體器件相比還是有一定差距。傳統(tǒng)的無機半導體材料雖然有明顯的缺點，但是因其自身優(yōu)越的物理學特性，仍對于微電子器件研究者具體很大的吸引力。柔性無極電子技術(shù)是將硅基體與柔性基體結(jié)合，通過力學結(jié)構(gòu)設計并利用基體的柔性實現(xiàn)整體的可彎曲與可延展。由于硅基芯片較脆且比較厚重，而這種設計完全可以克服這個缺點，使柔性電子產(chǎn)品在具備高性能的同時，也具備質(zhì)量更輕，更便捷的特性。對于柔性電子器件的研究以及應用在今后必將對人類的生活產(chǎn)生巨大影響。柔性器件設計重點在于對結(jié)構(gòu)的柔性化設計，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，柔性無機電子器件主要基于結(jié)構(gòu)設計，使基于傳統(tǒng)無機半導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無機功能部件的影響。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于保留了半導體器件優(yōu)越特性的同時又控制低成本，并且使電子器件具有變形能力。

2 研究進展以及遇到的問題

2.1 研究的進展

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)使電子器件難以進行彎曲或延展，一旦變形可能會導致電子器件的結(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實驗室的研究者們通過將薄膜晶體管與柔性基體的結(jié)合，實現(xiàn)了1KHZ時鐘頻率下的電子線路。阻礙有機電子朝實用化與工業(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致的。可延展柔性電子重量輕、可彎曲、可伸展以及可適應復雜不平整表面的獨特優(yōu)勢使其具有廣闊的發(fā)展前景。近些年，像康奈爾大學、哈佛大學、普林斯頓大學、西北大學等著名大學都建立了柔性電子技術(shù)專門的研究機構(gòu)，柔性電子技術(shù)也引起了國內(nèi)的相關(guān)人員的關(guān)注與重視，清華大學、浙江大學、復旦大學等十幾所名校在發(fā)光與顯示、太陽能電池、平板顯示技術(shù)等方面取得了研究進展。美國伊利諾大學在由John Rogers教授帶領(lǐng)研究團隊成功研發(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，同時可無線充電，且不影響電池性能。這些研究成果的出現(xiàn)，堅定了研究人員在對柔性電子領(lǐng)域方面探索的信心。

2.2 遇見的問題

通過化學合成的方法來制備半導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；在應對硅納米薄膜中產(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備是存在很大發(fā)展?jié)摿Γ辉谌嵝蕴栯姵胤矫嬉约俺尉Ч杼栮嚵械闹圃旆矫妫⒓{米條制造技術(shù)還尚不成熟；通過化學氣相沉積生長技術(shù)制作無規(guī)則網(wǎng)狀單壁碳納米管薄膜的技術(shù)仍需努力加強；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。眾多方面的問題說明了研究人員在可延展柔性無機微納電子器件方面的探索仍任重而道遠。

3 結(jié)束語

隨著越來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性能不斷提高。而作為信息載體的各種微電子器件一旦實現(xiàn)柔性化，必將從本質(zhì)上促進人與信息的互相結(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，同時具備高速與柔性的無機柔性電子器件在人機融合的過程中起到至關(guān)重要的作用。未來碳納米管、石墨烯等更多性能優(yōu)越的材料將逐漸被應用于應經(jīng)成熟的柔性電子結(jié)構(gòu)中，相信在不久的將來，可延展性柔性電子產(chǎn)品的大時代將會到來，人類的生活必將發(fā)生翻天覆地的變化。

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