可延展柔性无机微纳电子器件原理与研究进展

尹清华

（惠州工程技术学校,广东 惠州 516001）

在当今的生活中，人们对于电子产品的依赖更加紧密。随着科技的发展，传统上的一些观念会被改变，微纳电子器件是信息的基本组成单元，这种全新的电子器件，可以适应多种不同的工作环境，促进信息与人的结合。这种先进的电子器件以充足的柔韧性及可延展化的特点，吸引到研究人员的注意力。随着研究人员对于这种技术的熟悉，相信在不久的将来，运用这种技术研发出的新产品，将会改变人们的生活。目前，很多科研机构已经开展了对于柔性电子技术的研究，并且取得一定的成绩。

1 可延展柔性无极电子器件原理

理论基础及原理：对于传统的有柔性电子技术，受限于有机半导体具有硬、脆的特性，很大程度上影响自身应用空间。有机电子器件也可以弯曲和变形，但他们的物理学性能跟无机半导体器件相比还是有一定差距。传统的无机半导体材料虽然有明显的缺点，但是因其自身优越的物理学特性，仍对于微电子器件研究者具体很大的吸引力。柔性无极电子技术是将硅基体与柔性基体结合，通过力学结构设计并利用基体的柔性实现整体的可弯曲与可延展。由于硅基芯片较脆且比较厚重，而这种设计完全可以克服这个缺点，使柔性电子产品在具备高性能的同时，也具备质量更轻，更便捷的特性。对于柔性电子器件的研究以及应用在今后必将对人类的生活产生巨大影响。柔性器件设计重点在于对结构的柔性化设计，以塑料直管和波纹管为例，前者的可拉伸和弯曲能力很小，后者通过波纹结构的伸缩特性使其具有拉伸和弯曲变形能力。所以，柔性无机电子器件主要基于结构设计，使基于传统无机半导体材料的功能电子器件与柔软的承载基体集成，避免在变形中隔离集体变性对无机功能部件的影响。这种结构的优势在于保留了半导体器件优越特性的同时又控制低成本，并且使电子器件具有变形能力。

2 研究进展以及遇到的问题

2.1 研究的进展

目前通用的常规电子器件一般都是刚性基板上的硅晶片集成技术，其硬脆的性质使电子器件难以进行弯曲或延展，一旦变形可能会导致电子器件的结构破坏或性能失效。因此传统的常规电子器件难以适应下一代电子产品在便捷性跟柔性方面的高要求。早在1998年，N.Bowden等人就提出金属薄膜在弹性基底上的有序屈曲现象；Bell实验室的研究者们通过将薄膜晶体管与柔性基体的结合，实现了1KHZ时钟频率下的电子线路。阻碍有机电子朝实用化与工业化发展的根本因素，还是由于两者之间各自的物理特性存在差异导致的。可延展柔性电子重量轻、可弯曲、可伸展以及可适应复杂不平整表面的独特优势使其具有广阔的发展前景。近些年，像康奈尔大学、哈佛大学、普林斯顿大学、西北大学等著名大学都建立了柔性电子技术专门的研究机构，柔性电子技术也引起了国内的相关人员的关注与重视，清华大学、浙江大学、复旦大学等十几所名校在发光与显示、太阳能电池、平板显示技术等方面取得了研究进展。美国伊利诺大学在由John Rogers教授带领研究团队成功研发出一种可变形电池，这种电池不仅柔软，更为奇特的是他可以在原有的尺寸上拉大三倍，同时可无线充电，且不影响电池性能。这些研究成果的出现，坚定了研究人员在对柔性电子领域方面探索的信心。

2.2 遇见的问题

通过化学合成的方法来制备半导体中纳米条的组装和特性研究尚不深入，柔性衬底上高性能的纳米条薄膜晶体管的组装技术仍需优化；在应对硅纳米薄膜中产生的掺杂、制作工序和性能利用方面，具有高速柔性的电子器件设备是存在很大发展潜力；在柔性太阳电池方面以及超薄单晶硅太阳阵列的制造方面，微纳米条制造技术还尚不成熟；通过化学气相沉积生长技术制作无规则网状单壁碳纳米管薄膜的技术仍需努力加强；柔性生物传感器方面，碳纳米管和石墨烯等用于柔性传感器的材料制备技术还不成熟，还需要深入研究柔性传感器的组装、排列、继承和封装技术；在柔性生物传感器、柔性储存器等更高端或特殊用途的相关产品上的研发还很欠缺。众多方面的问题说明了研究人员在可延展柔性无机微纳电子器件方面的探索仍任重而道远。

3 结束语

随着越来越多的研究人员加入到柔性电子的研究工作中，必将使柔性电子器件的力学性能不断提高。而作为信息载体的各种微电子器件一旦实现柔性化，必将从本质上促进人与信息的互相结合，另一方面信息量及其处理也必然要求电子器件高速化、智能化、因此，同时具备高速与柔性的无机柔性电子器件在人机融合的过程中起到至关重要的作用。未来碳纳米管、石墨烯等更多性能优越的材料将逐渐被应用于应经成熟的柔性电子结构中，相信在不久的将来，可延展性柔性电子产品的大时代将会到来，人类的生活必将发生翻天覆地的变化。

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