柔性熱電薄膜的案例
同濟大學《AFM》：一種超高功率因子復合薄膜用于柔性熱電發電機
圖4 復合膜的柔性測試 (彎曲半徑為4 mm)
如圖4所示，在以4 mm為半徑分別彎曲1000次后，該薄膜的電導率僅下降了6.5%，柔性優于絕大部分已報道的柔性熱電材料，與不加PPy的膜相比，該復合薄膜的柔性也有所提升，這主要是PPy有很好的粘結性。
少量PPy的添加產生了四重效應：1）提高Ag2Se晶粒的結晶性從而提升電導率，2）引入能量過濾效應，使薄膜保持較高的塞貝克系數，3）降低熱導率，4）提高柔性。
將復合膜組裝成6個熱電單臂的柔性熱電器件（f-TEG）。
展開 50-600nm厚度的高遷移率、柔性大面積石墨烯薄膜
50-600nm厚度的高遷移率、柔性大面積石墨烯薄膜
50-600nm厚度的高遷移率、柔性大面積石墨烯薄膜
此外，作者通過將200 nm厚的nMAG層層組裝，降低薄膜氣體逸散阻力，進而抑制氣囊的產生。所制備10 μm厚的石墨烯薄膜表現出了較低的折皺密度以及高的導熱系數(1581 W m?1 K?1)。研究成果以“Flexible Large?Area Graphene Films of 50–600 nm Thickness with High Carrier Mobility”為題發表于《Nano-Micro Letters》。 l 03圖文導讀 圖1. 超薄自支撐GO/PAN薄膜的制備。 圖2. 基于PAN原子氣體溢出通道。 圖3. nMAG的結構和柔性。 圖4. nMAG的電學性能和應用。 圖5. 由200 nm nMAG 組裝的10 μm mMAG的熱性能。 ★ 平臺聲明 部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯系我們及時處理。歡迎參與投稿分享！
展開 新型柔性薄膜晶體管：有望帶來高性能柔性可穿戴設備！
導讀
近日，中國山東大學與英國曼徹斯特大學的研究人員在柔性電子領域取得一項重要進展，他們開發出超高速的新型柔性納米晶體管。它由氧化物半導體制成，能以1GHz 的基準速度運行。
背景
傳統電子產品，往往會給我們一種“僵硬”的印象，它們無法經受彎曲、扭曲和拉伸。然而，新興的柔性電子產品卻彌補了傳統電子產品的這些不足。特別是對于可穿戴設備來說，柔性電子技術的發展大大改善了用戶的佩戴體驗，更加適應人體的自由運動。
之前，筆者曾介紹過許多柔性電子產品，例如：柔性電池、柔性液晶屏、柔性可穿戴傳感器、柔性的有機閃存、柔性超級電容、柔性微處理器、柔性觸控傳感器、柔性天線、柔性電子紙張等等。為了讓大家有一個更直觀的認識，下面通過圖片進行展示：
（圖片來源：加州大學圣地亞哥分校）
（圖片來源：日本東北大學）
（圖片來源：佛羅里達州立大學）
（圖片來源：KAIST）
（圖片來源：曼徹斯特大學）
（圖片來源：英屬哥倫比亞大學）
（圖片來源：Graphene Flagship）
（圖片來源： Mats Tiborn）
創新
近日，在柔性電子領域又出現一項重要研究進展。中國山東大學（ Shandong University）與英國曼徹斯特大學（University of Manchester ）的研究人員合作開發出一種新型超高速的柔性納米晶體管，也稱為“薄膜晶體管”（TFT）。它由氧化物半導體制成，能以1GHz 的基準速度運行。
技術
TFT 是一種通常應用于液晶顯示屏（LCD）中的晶體管。具有LCD顯示屏的大多數現代電子設備，例如智能手機、平板電腦和高清電視，都具有TFT。
TFT是如何工作的呢？
展開 一種用于可穿戴和個人熱管理的柔性熱電材料
來源 | Energy Conversion and Management
原文 | https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117017
01
背景介紹
熱電器件(TEDs)因其能直接將熱轉化為電，以及易于調節的主動冷卻能力而引起了人們的極大興趣。近年來，可穿戴電子技術的快速發展擴大了TEDs的可能應用范圍。一個方向是為小型可穿戴設備的不間斷供電收集身體熱量，因此TEDs可以作為可穿戴綠色電源。另一個方向是對人體進行降溫，使皮膚保持舒適狀態。相對于傳統的集中空調系統，只需少量的人員就會消耗幾千瓦的功率，個性化熱管理的TEDs對于不同的個體來說，在功耗和舒適度調節方面更加高效。在此背景下，設備的靈活性和對人體皮膚的順應性具有重要意義。通常，有不同的策略來獲得TEDs的靈活性。一種是利用內在柔性熱電(TE)材料來制造f- TEDs。雖然它們具有優越的內在柔韌性，但由于柔性TE材料的熱電性能較低，使得它們無法通過收集人體熱量來驅動可穿戴設備。另一種方法是通過蛇形金屬線、銀納米線或液態金屬等柔性電極連接高熱電性能材料和TE材料，然后用柔性彈性體封裝。雖然這些工作已經實現了相當大的可以驅動可穿戴設備的身體熱發電，但大多數還沒有實現對人體等任意幾何形狀的有效主動冷卻。因此，開發一種能夠同時實現高性能的身體熱發電和主動冷卻的可穿戴TED對于個人熱管理具有重要意義。
02
成果掠影
柔性熱電器件(f- TEDs)可實現熱與電的直接能量轉換，在可穿戴柔性材料和個人熱管理方面具有廣闊的應用前景。
展開 
中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結構的熱電材料
【引言】
隨著柔性電子器件的發展以及對可持續和多用途能源需求的不斷增長，柔性電子器件由于可以直接將廢舊的熱能轉換為有用的電能，因此已經引起各國研究人員的極大關注。與傳統的脆性和剛性熱電器件相比，柔性電子器件具有一些無可替代的優點。要獲得熱源表面和任意形狀之間的緊密接觸，良好的柔性是必不可少的；無支撐薄膜熱電材料由于可以容易地轉移到任何襯底上，通過減少熱能損失而顯著提高效率，通常是獲得最優器件配置的首選材料。
無機硫屬化合物（如Bi2Te3）是一種傳統的熱電材料，其可在寬的運行溫度下實現最優異的性能，但這種材料的脆性和剛性限制了它們在柔性熱電領域的應用。聚合物熱電材料雖然具有柔性好、重量輕以及易加工等優點，但由于其熱穩定性差、效率低以及接觸電阻高等缺點，因此嚴重阻礙其在熱電材料中的應用。碳納米管（CNTs）具有獨特的電、熱性能和優異的柔韌性，理論預測和實驗都表明CNTs是一種極具前景的柔性熱電材料。由于CNTs基復合材料中的碳納米管分布不均、弱的界面相互作用、雜質較多以及結構混亂等缺點，因而這種材料的熱電性能遠低于最新的無機硫屬化合物。因此，設計和制備具有優異綜合性能的柔性熱電材料仍然是一個巨大的挑戰。
【成果簡介】
近日，中科院金屬所邰凱平研究員、劉暢研究員和中科院近代物理所高寧研究員（共同通訊作者）等人合作利用磁控濺射技術在CNT支架上組裝層狀結構的Bi2Te3用于制造柔性熱電器件。該材料的功率因數在室溫下為~1600 μWm-1K-2，而在溫度為473 K時下降為1100 μWm-1K-2。其平面晶格熱導率為0.26±0.03 Wm-1K-1，室溫下最高的熱電品質因數可達0.89，這種性能主要來源于一種強的聲子散射效應。
展開 一種用于熱管理的柔性相變薄膜材料
02
成果掠影
近期，中國科學院大連物理化學研究所史全教授在開發具有柔性的熱管理相變材料取得新的成果。該團隊開發了一種具有高轉變焓的柔性自愈相變膜，該相變膜具有較高的儲能密度、良好的柔韌性和自愈能力。實驗結果表明在98.7℃的相變溫度下，相變膜具有優異的彈性，相變焓高達191.5 J/g。值得注意的是，由于氫鍵的可逆性，柔性相變膜具有良好的自修復能力，其自修復效率高達91.1%。此外，還將相變膜附著在加熱平臺表面，以評估其在熱管理方面的潛力。該柔性自愈相變膜在不同升溫速率下均能保持高效的熱管理能力，具有發展先進熱管理技術的巨大潛力。研究成果以“Flexible self-healing phase change film with high transition enthalpy for thermal management ”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
03
圖文導讀
圖1.PVP/PVA/Ery相變膜的制備方案。
圖2.材料的XRD結構示意圖。
圖3.相變薄膜材料的防漏實驗。
圖4.相變薄膜的自愈合過程。
圖5.相變膜光學圖片以及材料的TGA/DSC曲線。
圖6.熱管理性能應用示意圖。
展開 具有優異的柔性和熱管理性能的石墨烯薄膜
近年來，具有高導熱系數的柔性TIM引起了研究者的廣泛關注，以解決柔性電子器件中的過度散熱和改善熱管理問題。
石墨烯(Gr)是一種最有前途的二維(2D)納米材料，具有極高的導熱系數(5300 W/（mK）)，優異的柔韌性。然而，由于Gr的分散性差和Gr片間熱阻高，Gr膜的導熱系數明顯低于單層Gr。因此，在考慮降低熱阻的同時，應努力改善Gr片材在懸浮液中的分散，促進其在膜中的取向。
為了獲得高導熱的柔性Gr薄膜，提高Gr的分散性至關重要。芳綸納米纖維(ANFs)、明膠、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)被用作Gr分散體的分散劑，PVP中親水性(-CONH)和疏水性(-CH)基團的存在加速了Gr的分散，導致真空過濾后形成致密的高導熱石墨烯薄膜。然而，PVP的導熱系數低得多，這將略微降低石墨烯薄膜的導熱系數。因此如何通過PVP提高Gr的分散性而不惡化導熱性的材料制備技術是非常重要的。
02
成果掠影
近期，中國科學院大學李江濤團隊通過真空輔助過濾策略提出了高導熱和柔性石墨烯(Gr)薄膜。在真空剪切力和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分散作用的驅動下，由于氫鍵(h -鍵)的作用，石墨烯片層呈層狀堆疊。高度層合的Gr/PVP薄膜(GPVP-F)表現出81.2 W/（mK）的高面內導熱系數和5.1 W/（mK）的垂直平面導熱系數。在實際應用中，GPVP-F作為柔性TIM使用時，使發光二極管(LED)芯片溫度降低4.3°C(從46.1°C降至41.8°C)，對于室溫器件(< 50°C)的冷卻效果處于先進水平。此外，GPVP-F即使在100°C下仍具有優異的導熱性(68.1 W/（mK）)，并且經過10次加熱冷卻循環后仍具有出色的穩定性。更重要的是，出色的靈活性確保了GPVP-F能夠應用于不規則形狀的設備。
展開 ：噴墨印刷制備大面積柔性少層石墨烯熱電材料
該研究報道了可應用于柔性熱電器件的石墨烯薄膜的大面積噴墨印刷技術。所利用的石墨烯來源于通過超聲輔助液相剝落（UALPE）剝離的塊狀石墨。用該方法制備的石墨烯薄膜表現出類似于少層石墨烯的電子傳輸性能，但卻具備來源于無序納米結構的玻璃態導熱性能。結果表明，薄膜的熱電性能不僅超過了以前關于全石墨烯材料的報道，而且還與通過更復雜的合成方案生產的先進石墨烯-導電聚合物納米復合材料的熱電性能相當。
柔性薄膜壓力傳感器在模具間隙測量中的應用
壓力測量工具——柔性薄膜壓力傳感器
柔性薄膜壓力傳感器可通過壓力采集板的壓阻隨壓力的變化，測量出檢測區域的壓力值，通過電流信號傳輸至顯示終端，由壓力感應模塊，數據收集、發送模塊和壓力顯示終端3 部分組成(圖6)，其中壓力感應模塊可承受1 ～300 PSI，厚度0.2mm（厚度可根據要求定制）厚度小于沖壓制件最小板料厚度(0.65mm)，工作時將壓力感應模塊置于模具型面的強壓面中，由數據收集、發送模塊記錄數據并通過無線信號/藍牙將數據發至顯示終端，顯示終端將采集的壓力數據轉化成圖像，并顯示所有檢測點的壓力值。
圖6 柔性薄膜壓力傳感器構成
柔性薄膜壓力傳感器實現對模具上下模壓料區域壓料力的數據化、可視化，結合制件工藝設計過程中的CAE 分析(圖7)，進行數值差異對比，便于快速查找制件面品問題真因，并進行快速處置，通過數據的統計記錄，實現對模具強壓面的預防性管理。
圖7 模具設計CAE 模擬分析制件不同區域的理論壓料力數值
柔性薄膜壓力傳感器的使用
柔性薄膜壓力傳感器壓力感應模塊厚度0.2mm (厚度可根據要求定制)，為適應感應器的使用范圍，按照國內一般汽車沖壓件板材厚度，一般可通過包覆柔性塑料的方式來制作，厚度0.6mm，測試時在依據制件的實際板料厚度對壓力感應模塊進行包覆，以達到與板料同厚度，提高壓力測量的準確性，并且對感應模塊進行保護。具體使用步驟如下。
如圖8 所示，傳感器壓力感應模塊表面包覆柔性塑料(圖9)來保護內部線路及壓力傳感器，厚度為0.6mm，使用時在表面包覆拉延膠帶，使其厚度與測量區域板料厚度保持一致，來保證壓力測量的準確性。
展開 清華大學張強團隊《AFM》：一種超薄、柔性固態電解質薄膜！
本文提出了一種制備超薄、自支撐、柔性硫化物薄膜的自限性方法，自限性是由于纖維素（CEL）和固態電解質顆粒之間的強烈反應，硫化物固態電解質顆粒更傾向與纖維素（CEL）纖維相互作用，而不是自己；因此，當纖維素被一層固態電解質顆粒包裹時，固態電解質膜的厚度不會隨著漿料的增加而增加；最后，固態電解質膜的厚度由預先組織好的指定厚度的多孔襯底來確定。薄的纖維素骨架保證了高的機械強度、良好的柔韌性和對硫化物顆粒的良好附著力，從而在電池中形成連續穩定的離子傳輸通道，具有獨立固態電解質膜和各種正極/負極組合的全固態鋰金屬電池在扣式電池和軟包電池上顯示出優異的循環性能和較高的能量密度。
圖1獨立柔性固態電解質膜和用于構建3D互連離子導電框架的涂有薄硫化物固態電解質層的交叉纖維素骨架的示意圖。SSEs代表硫化物固態電解質，CELs代表纖維素骨架
圖2固態電解質膜的形態特征。(a,c)固態電解質膜和(b,d) 固態電解質顆粒的照片和掃描電鏡圖像；e) 處于機械變形狀態的尺寸為30 mm× 50 mm的柔性固態電解質膜的照片；f）固態電解質膜的橫截面SEM圖像
圖3固態電解質的性質和結構。a) 固態電解質膜和固態電解質顆粒之間的離子電導率、厚度和體積電阻的對比；b) 固態電解質膜和固態電解質顆粒的XRD圖譜
圖4在扣式電池中評價了固態電解質膜的電化學性能。a) 鋰硫電池示意圖；b)0.1C時的循環性能；c) 0.05C和0.5C時的恒電流充放電曲線；d)使用固態電解質膜和固態電解質顆粒的鋰硫電池的倍率性能
圖5在軟包電池中評價固態電解質的電化學性能。
展開 用于電子器件熱管理的高導熱性和低導電性的柔性薄膜
那么如何使相變材料具有優異的傳熱性能，同時能保持低的電導率下和優異的柔性是目前面臨的挑戰之一。
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成果掠影
大連理工大學唐炳濤教授在制備具有高導熱和低電阻、以及優異的柔性的熱管理材料方面取得新進展。本文提出了一種新型的柔性熱管理相變薄膜PCPU/mCNTs。作者將烷基化改性碳納米管（mCNTs）設計成相變聚氨酯（PCPU）體系。基于高電阻和mCNTs的導熱性能，制備出的PCPU / mCNT薄膜表現出增強的導熱性和高電阻。實驗結果表明，PCPU/ mCNTs薄膜具有優異的柔韌性、抗拉性(>6 MPa)、熱穩定性、高相變焓(>92 J/g)、高導熱系數和高電阻(比銅高5個數量級)。基于上述優異性能，PCPU/mCNTs薄膜可以通過相變和散熱的協同作用，有效地實現電子器件的熱管理。此外，PCPU/mCNTs薄膜還可以根據應用場景進行重塑和回收。該工作為電子器件熱管理材料的設計提供了一種新思路，未來應進一步關注該方法的普適性。研究成果以“Flexible phase change films with enhanced thermal conductivity and low electrical conductivity for thermal management”為題發表于《Chemical Engineering Journal》。
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圖文導讀
圖1.柔性相變薄膜PCPU/mCNTs的設計思路。
圖2.(a) CNTs改性示意圖。
展開 
10英寸超大尺寸復合納米薄膜用于耐溫柔性超級電容器
現有超級電容器的工作溫度區間約為150°C，但柔性較差。在實際工作環境中，超級電容器通常是暴露在復雜系統或極端溫度環境下，如此用于電動汽車或者極度寒冷的地區。
中國石油大學(華東)臧曉蓓和清華大學康飛宇、朱宏偉等人近期在Science China Materials上發表論文，他們制備了面積高達550 cm2(常規尺寸的29倍)的石墨烯/碳納米管/錳氧化物(rGO/CNT/MnOx)復合薄膜，并將其用于耐溫柔性超級電容器。該電極材料的性能取決于復合薄膜中石墨烯、碳納米管和錳氧化物的比例，其中，MnOx賦予其高比電容。此柔性超級電容器可在?20~200°C溫度區間內保持良好的電化學性能和柔性，表現出優異的穩定性。該工作為復合納米材料薄膜的大批量制備和適用于寬溫度區間的柔性超級電容器的發展奠定了基礎。
圖1 超級電容器的柔性
該研究成果最近發表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9399-3。
展開 一種具有優異熱管理和電磁屏蔽性的Cu/PLLA柔性薄膜
因此，具有柔性熱管理和電磁屏蔽材料的超薄功能復合材料在優化可穿戴設備方面具有很大的前景。
熱管理和電磁屏蔽薄膜已被開發用于各種可穿戴應用。傳統的剛性材料，如銅箔和石墨，很難滿足動態和可變的應用條件。柔性織物因其良好的透氣性和低廉的施工成本而廣受歡迎。PLLA是一種具有優異物理性能的可生物降解、高度生物相容性的聚合物，通過靜電紡絲法可以實現高透氣性，并經過一系列處理和反應后保持良好的透氣性。通過將PLLA與金屬納米顆粒結合，可以保持導電材料的導電性。然而，柔性膜較低的強度限制了其耐久性和功能。
此外，柔性織物的透氣性也是決定設備舒適性和可用性的關鍵因素，但金屬復合材料很難同時實現高強度和高透氣性。傳統的纖維膜增強處理方法包括物理方法和化學方法。熱壓和熱輥壓等物理方法需要設備支持，價格昂貴，并且由于強大的外力會嚴重破壞纖維結構，缺乏靈活性。丙酮后處理等化學途徑只能增強纖維連接，效果有限，導致后續金屬涂層分層和不一致。
此外，可穿戴設備的輕薄特性往往會限制導電材料的熱管理能力。熱積累會造成薄膜失效，影響可穿戴織物的舒適性;加入電能也會影響材料的熱工性能。熱傳導和分散往往伴隨著其他材料性能的波動，并依賴于外部溫度，這使得可靠的散熱和熱利用非常有限。因此具有效熱管理和高電磁干擾屏蔽性能并且靈活、透氣的超薄金屬-聚合物纖維膜材料的開發仍然是一個挑戰，極大地限制了可穿戴設備的技術革命。
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成果掠影
近期，英國曼徹斯特大學材料學院李加深團隊和牛津大學劉澤堃團隊合作設計開發了一種具有優異電磁屏蔽性能和熱管理能力的柔性透氣復合薄膜。
展開 一種具有竹蓀生物仿生結構的高耐用、輻射冷卻和隔熱性能的柔性薄膜
輻射冷卻的仿生hollow@porous柔性薄膜的制備工藝流程圖。
圖3. (a) TPU、FPU、FTPU的FTIR光譜，(b) TPU和FTPU薄膜的反射率和發射率。
圖4. (a) HTPs的SEM圖像和(b) TEM圖像，(c)高溫高溫顆粒分布，(d, e) FTPU?HTPs薄膜的SEM圖像，(f) FTPU?HTPs薄膜截面的SEM圖像，(g) FTPU、FTPU?HTPs10%、FTPU?HTPs20%和FTPU?HTPs30%的WCA和(h)反射率和發射率光譜。
圖5. (a)使用簡易夾心裝置加熱前后的薄膜紅外圖像，(b)裸玻璃片和夾膜玻璃片的溫度曲線，(c)加熱3min時樣品的最終表面溫度和溫控差，(d)不同HTPs含量下FTPU?HTPs膜的導熱系數。
圖6. (a)被動日間輻射冷卻器示意圖，(b)用于評估輻射冷卻性能的裝置示意圖，(c) SC和NSPS制PU膜的溫度跟蹤，(d)不同HTPs含量的FTPU?HTPs薄膜的溫度跟蹤。
圖7.(a)用于實際冷卻試驗的固定車型的數字圖像，(b)汽車模型中設置的內部熱電偶數字圖像，(c)測試車型內部的溫度跟蹤，(d)遮蓋和未遮蓋汽車模型在太陽下曝曬一小時的紅外圖像。
圖8.(a)FTPU?HTPs照片。(b)FTPU?HTPs薄膜的輻射冷卻性能。
END
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展開 lexEnable開發柔性液晶薄膜：解決AR和VR設備中光學性能和穿戴舒適性問題
與形成晶體管和其他必要薄膜組件所需工藝溫度兼容的非玻璃基板，其光學性能一般都不能和玻璃基板媲美。但是現在，隨著有機電子器件的發展，它為我們帶來了一種獨特的解決方案，它能夠提供一種光學效果非常理想的柔性基板。
針對于此，FlexEnable開發了一套完整的低溫制造工藝，用于在超薄柔性基板上生產液晶盒光學器件和有機薄膜晶體管（OTFT）。該制造過程是在重新調整用途的平板顯示器（FPD）生產線中進行的。由此制造出的柔性液晶盒光學元件可以進一步通過熱成型工藝，貼附到具有復雜雙軸曲率的光學表面上。這樣的柔性方案能夠在為AR和VR應用提供功能的同時，幾乎不增加額外的重量或厚度，實際上，一個典型的柔性液晶單元只有100μm厚。此外，在需要的情況下，這種方案還可以通過多層堆疊的方式提高屈光度和其他性能。
為了在現有的FPD生產線中大規模制造柔性液晶盒光學器件，所選用柔性基板必須要與其工藝溫度兼容，同時還要與所使用的其他材料在化學層面兼容。三乙酰纖維素（TAC）薄膜是一種被廣泛使用的低成本薄膜，常用于偏光片制造，FlexEnable之所以選擇它，是因為它滿足有機電子制造的熱要求，同時它還具有很多優異的光學性能。另外，TAC薄膜也是一種生物塑料，這意味著它能夠用木漿（與紙張的原材料相同）等可再生資源制成。
VR和AR應用中的光學設計考量：TAC和玻璃
一般情況下，玻璃具有非常優異的光學性能，具有如下：
非常高的光透過率；
零雙折射（處于平坦狀態）；
無色；
低霧度；
如果要在AR和VR應用中表現良好，柔性TAC必須要盡可能地與上述玻璃特性匹配。如下表1比較了三種“常見”基板塑料（PI、PET和TAC）與玻璃的光學特性。
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