柔性透明電子器件的進展

于雪梅 陳林洋 劉曉燕 管鵬飛

摘 要 本文簡要介紹了當前柔性透明電子器件的研究情況，著重對柔性儲能器件與柔性透明導電材料進行了綜述，并對柔性透明電子器件的未來發展進行了展望。總體來看，柔性透明電子器件的主要發展方向之一是從多維多尺度角度進行結構設計、控制與優化，同時提升器件變形能力、透光能力以及儲能能力，以適應工業化生產需要。

【關鍵詞】柔性 透明 儲能 電子器件

1 概述

柔性電子器件是將由有機/無機復合薄膜制備的電子器件沉積在柔性或者可拉伸的高分子或金屬薄膜基板上，從而獲得具有可變形能力的柔性電子器件的新興電子技術。與傳統電子器件不同，該技術使電子器件具有可變形能力，因此可以極大地拓寬電子器件的應用領域。

目前，柔性透明電子器件的研究十分活躍，并帶動許多相關學科的發展。發達國家已經紛紛制定針對柔性透明電子器件的重大研究計劃，并投入巨資重點支持柔性電子器件的制備及其基礎研究。2011年美國斯坦福大學的崔屹研究小組首次制備了透明的鋰離子電池，可以為下一代全透明的電子器件提供能量來源（見圖1（a））。同一年，美國萊斯大學的Ajayan研究小組又成功研發了透明超級電容器。2012年，韓國的三星公司更是展示了其全透明的柔性手機（見圖1（b））。

柔性儲能器件與柔性透明導電材料的制備是柔性透明電子器件研發的兩大核心技術。柔性儲能器件為柔性電子器件的運行提供能量來源；而柔性透明導電材料則能解決傳統導電透明材料（例如ITO）的脆性問題。近年來，在柔性儲能器件和導電透明材料兩個方面都開展了較為廣泛的研究，特別是隨著高性能納米材料及其相關技術的出現和興起，在利用納米材料及納米技術制備具有優良性能的柔性儲能器件，以及提升透明導電材料的功能性方面都取得了重大進展，

2 柔性儲能器件

目前，關于柔性儲能器件的研究主要是集中在如何提高儲能器件的力學變形能力和電化學儲能能力兩個方面。目前柔性儲能器件的主要制備方法是將電極材料沉積或轉移到具有優越拉伸能力的高分子基底上，并經過一定的技術處理以保證電極材料與彈性基底具有良好的界面結合力，最終實現柔性儲能器件的制備。

2009年，Wei報道了以屈曲的碳納米管薄膜作為可拉伸的儲能器件，在保持儲能性能不衰退的前提下實現了30%的最大拉伸應變（見圖2（a））。除了利用屈曲之外，彈簧狀的螺旋結構也被用于制備可拉伸儲能器件。2013年，復旦大學的彭慧勝教授研究小組提出將纖維狀電極以螺旋的方式旋轉在高分子橡膠纖維上，制備的超級電容器擁有優越的拉伸性能（見圖2（b））。2013年，美國伊利諾伊大學香檳分校的Rogers研究小組，利用“彈出式”的結構設計方法，制備了可以任意彎曲、伸展和扭轉的鋰離子電池（見圖2（c））。

目前研究的核心思想就是如何通過電極材料的微觀結構設計，使得柔性儲能器件在變形時，電極材料本身并不承受太大的應變。在提升柔性儲能器件的儲能能力方面，主要是通過引入膺電容材料與碳納米材料進行復合。例如，2009年Cheng將石墨烯與聚苯胺結合制備了可彎曲柔性超級電容器，其比電容值可達233 F/g。2012年，Xie等人將石墨烯與二氧化錳復合，制備了具有彎曲能力的超級電容器，其比電容值可以達到267 F/g 。

3 柔性透明導電材料

對于柔性透明導電材料的研究主要集中在超薄連續導電膜和網狀導電結構兩個方面。對于超薄連續導電膜，研究的熱點在于如何制備高質量、大面積的單層或少層石墨烯及其轉移技術上。目前利用化學氣相沉積（Chemical vapor deposition，CVD）技術生長高質量大面積石墨烯已經取得了長足進步，其應用瓶頸在于如何在保證不損傷石墨烯的前提下，進行大面積、高效地轉移到任意基底上。2009年，美國德州農機分校的Ruoff研究小組，首次提出利用PMMA對CVD石墨烯進行轉移，制備了導電能力和透光率分別達到了2000 Ω□-1和97%的透明導電薄膜。韓國的KAIST研究院將生長石墨烯的CVD工藝與可連續化操作的軋輥法相結合，通過熱剝離膠帶，高效快速地制備了尺寸達到30英寸，導電能力和透光率分別達到125 Ω□-1和97.4%（見圖3（a））的透明導電薄膜。在超薄連續導電膜應用于柔性透明儲能器件方面，2013年，美國凱斯西儲大學的戴黎明研究小組首次報道了利用石墨烯作為電極制備柔性透明超級電容器，其基本思路是：利用預先經過褶皺處理的銅箔作為基底，生長了具有微觀褶皺形態的石墨烯，并直接將其用于可拉伸透明超級電容器的制備，其拉伸能力可以達到40%，透光率可以達到57%，儲能能力達到5.8 μFcm-2（見圖3（b））。應該指出的是，上述單位面積儲能值遠小于常規結構的超級電容器（mFcm-2數量級）。

隨著一維納米材料的制備和分散技術的提高，在利用網狀導電結構作為導電透明材料方面也取得了很大進展。2004年，美國佛羅里達的Rinzler研究小組，利用過濾和轉移的方法，制備了單壁碳納米管柔性導電透明薄膜，其對可見光的透光率可以達到70%以上，同時導電能力可以達到30Ω□-1。2009年，愛爾蘭三一學院的Coleman研究小組利用銀納米線，通過過濾和轉移的方法制備的柔性透明導電器件，其透光率可以達到90%，電導率可以達到2×105S/m。美國華盛頓大學的夏幼南研究小組系統地研究了利用銀納米線制備的導電透明材料，其導電能力可以達到20Ω□-1，透光性達到95%。美國杜克大學的Wiley研究小組，在2014年報道了利用銅納米線制備的導電透明材料，其透光性和導電能力分別達到95%和<100Ω□-1。值得指出的是，利用一維納米材料制備的導電網絡是無序的，該導電網絡的透光性會隨著導電層厚度的增加而迅速降低，因此當用納米線來制備透明柔性儲能器件時，其單位面積上的儲能能力仍然會受到透光性能要求的極大限制。2015年，韓國的KAIST研究小組，利用激光在銅箔上燒蝕密集分布的小孔陣列，從而形成導電透明結構，其導電能力和透光率分別可以達到17.48 Ω□-1和83%，而且透光率并不受所用銅箔的厚度影響。

4 展望

隨著集成電子電路的發展，無論是對柔性儲能器件的結構形態、儲能能力，還是對透明導電材料的透光能力、導電能力都提出了愈來愈高的要求。實際上，柔性透明電子器件是將柔性儲能器件的功能與柔性透明導電材料的功能合二為一，從材料設計角度而言，需要兼顧柔性儲能和導電透明這兩大功能的優化條件，從而取得更佳的綜合性能。因此，從多維多尺度角度進行結構設計、控制與優化，同時提升器件變形能力、透光能力以及儲能能力是高性能柔性透明電子器件未來研究的一個重要方向。

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作者單位

淮海工學院機械工程學院 江蘇省連云港市 222005