柔性電子材料的案例
馬里蘭大學王育煌SMALL：無損溶解超長金屬性碳納米管，助力高性能柔性電子材料
3.2微米長碳納米管在0% （e），50%（f），100%（g）以及回到0%（h）應力后的SEM圖像
圖5 長短兩種碳管可用于不同應用
(a)柔性可穿戴設備示意圖
(b)隨著手指彎曲-伸展運動，長碳納米管和短碳納米管薄膜的電流變化
長碳納米管薄膜導電性不受手指運動的影響，因此可以提供穩定電流輸出(c,e)；短碳納米管薄膜則表現出明顯電流表化，因此可以應用于應力傳感器(d,f)。
【小結】
此研究制備的超長金屬性碳納米管水溶液，可應用于柔性透明電子材料中。由于碳納米管長度的增加，其所制備薄膜的宏觀導電性以及可拉伸穩定性均有顯著提高，從而可以提升柔性電子材料性能與壽命。本工作不僅為展示了一種溶解超長碳納米管的方法，改變了依賴于超聲溶解納米碳材料的歷史，同時為今后的柔性電子設備的材料選擇提供了清晰的思路。
論文連接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/smll.201802625。
展開 郭傳飛、任志鋒《先進功能材料》綜述: 柔性電子學—可拉伸電極及其未來
近日，南方科技大學材料系郭傳飛副教授和美國休斯敦大學物理系任志鋒教授（共同通訊作者）在《先進功能材料》在線刊登了題為“Flexible Electronics: Stretchable Electrodes and Their Future”的綜述。南方科技大學前沿與交叉科學研究院黃思雅副研究員和休斯頓大學劉嫄博士為本文第一作者。文章從結構設計的角度介紹了基于剪紙藝術設計策略的新型可拉伸透明電極材料的最新研究進展及應用，涵蓋了電子皮膚、植入式可降解電子材料以及仿生軟體機器人等領域。
柔性電子學作為一種新興的具有廣闊應用前景的研究科學，將研制可在高應力狀態下工作的高性能柔性電子材料帶入了人們的視野。透明電極被廣泛應用于各類電子產品中。最常見的透明電極材料是摻雜的氧化物半導體薄膜（如氧化銦錫，ITO），其良好的光學透光率和導電性使其在光電子顯示領域占據了數十年的主導地位。然而，傳統的ITO薄膜無法滿足未來可穿戴柔性電子產品對力學柔性要求。應用于彈性體襯底上的透明柔性電極（FTEs）在使用過程中需要承受彎曲、折疊、扭曲，甚至拉伸等大應變形變模式，對材料的力學性能提出了更高的要求。
近年來，可拉伸電極的研究發展推動了可穿戴電子產品、電子皮膚、可植入醫療電子設備、軟體機器人、以及新型柔性人機界面等領域的興起。這些具有良好力學柔性和生物相容性的電子產品在人體健康監測和生物醫療領域中發揮著越來越重要的作用，并將極大改善現有的醫療健康體系并徹底改變人類與電子產品之間的關系。研究人員研制報道的各類仿生軟體機器人具有類似皮膚的柔性傳感功能和類似肌肉組織的軟體驅動器，可通過柔性人機界面與人類和周圍環境進行友好的實時互動，從而實現完整的“人-機”互動反饋體系（圖1）。
展開 一種用于電子器件熱管理的柔性相變材料
來源 | Journal of Energy Chemistry
01
背景介紹
隨著電子設備小型化和集成化的蓬勃發展，用于高級計算的微處理器的功率密度急劇增加。電子設備產生的大量熱量積聚在設備內部，例如集成電路。過熱引起的溫度升高會限制電子設備的工作適應性，導致頻繁的故障甚至自燃。因此，開發提高散熱效率的熱管理材料具有重要的意義。
相變材料(Phase change materials, PCMs)作為一種高效的熱管理材料，可以通過固-液相變過程吸收和釋放熱量。然而，PCMs存在漏液、導熱系數低、剛性強等固有缺陷，嚴重制約了其進一步的實際應用。大多數PCMs都表現出脆性和易碎性。當用作散熱器和加熱元件之間的熱界面材料(TIMs)時，這種現象會產生不可忽略的熱阻，從而對電子器件的熱管理效率產生不利影響。
柔性PCMs被認為是與物體接觸且能夠承受某些變形(例如，彎曲，拉伸和壓縮)的材料。雖然目前的PCMs具有優異的形狀穩定性和柔韌性，但由于難以加入導熱填料，其導熱性仍然有限。因此，當PCMs用作TIMs時，對靈活性和增強導熱性的要求仍然具有挑戰性。
02
成果掠影
近期，西南交通大學王勇和祁曉東團隊針對開發用于電子器件熱管理的柔性導熱相變材料取得最新進展。本文制備了聚二甲基硅氧烷/石蠟/氮化硼(PDMS/PW/BN)相變復合材料。首先通過刮削獲得BN沿平面(x-y方向)的排列，然后通過熱壓縮和滾切誘導BN沿平面(z方向)排列。因此，PW被交聯的PDMS/BN網絡包裹，從而形成與天然木材相似的年輪結構。年輪結構有效地避免了PW的液體泄漏，從而顯示出高達98%的高尺寸保留率。
展開 材料｜Picosun推出柔性有機電子顯示產品用新型涂層解決方案
CINNO Research產業資訊，由于可折疊手機和其他未來電子產品的快速迭代需要更輕、更可靠并能夠折疊和拉伸的設備材料，有機電子產品的設計和制造過程中對材料涂布或沉積方法的改進有著急切地需求。考慮到這些需求，薄膜封裝溶液的使用在有機電子產品的制造中變得越來越普遍。
根據外媒Picosun官網報道，眾所周知，近些年可折疊手機慢慢以商用產品地形式進入大眾視野，其中一些制造商已經進入了好幾代產品的設計和生產周期。與傳統封裝方法不同，薄膜封裝解決方案 (TFE，Thin Film Encapsulation) 在有機電子產品的設計制造 (OEM) 中的使用變得越來越普遍，因為它們更輕且能夠實現電子設備的折疊和拉伸性能。這些商業需求為開發高質量、可靠性和工藝集成度的TFE方案帶來了巨大的推動力。
在薄膜封裝領域，無機薄膜一直以來最受歡迎，例如那些通常與原子層沉積 (ALD) 工藝相關的薄膜。由于它們可以為制造方案提供多種優異特性，這些薄膜現在已經成為眾多電子設備的重要組成部分。原子層沉積 (ALD) 技術已被證明是半導體行業眾多應用的首選涂層解決方案。使用ALD設備沉積的致密的無機納米層可以增強產品對水汽的阻隔性能，而使用有機或混合分子層沉積 (MLD) 層又可以增強產品的柔性性能。
展開 
清華大學張瑩瑩AM: 一篇綜述帶你領略柔性可穿戴電子器件中碳材料的風采
主要圍繞納米碳材料和絲蛋白材料的制備科學、物理與化學性能開展研究，重點發展面向柔性可穿戴系統的新型電子材料與器件。
這些科技柔性材料，為智能穿戴提供無限可能
如果機能服飾（Techwear）與穿戴式電子產品結合是高科技通勤裝備的發展方向，那么現在幾乎每周都會出現新型柔性電子產品這一趨勢，就會引人思考，科技與服裝結合的產品是否很快普及？近日，科學家研發的兩項新科技，似乎預示著我們離問題的答案越來越近了。
未來科技產品的下一步發展趨勢將會是，摒棄當前堅硬的硅制零件，大批量采用材質柔軟、可彎曲、可延展的零件。而OLED曲面屏幕，還只是柔性技術的開端，未來還將出現：卷曲的光伏電池、柔性屏幕、智能傳感器、可互動的包裹、感光窗簾等等等等。
柔性電子產品的材料 回顧20世紀70年代，三位科學家Alan MacDiarmid、Alan Heeger和白川英樹以其在導電聚合物上的研究成果，獲得了2000年諾貝爾化學獎。
注：導電聚合物是OLED屏幕原材料之一，其特征是易操縱、可替代礦物質，而且有了這項技術便可在低資源消耗、低成本的條件下在設備中加入更多零件，同時不犧牲新功能。 而從導電聚合物初露鋒芒，到獲諾貝爾獎認可，再看到現在，可以發現這些年來電子產品的材料主要還是硅等礦物質。不過，科研人員和工程師們已經開始通過不斷研究，一步一步為未來的柔性電子產品打基礎了。
接下來，請看一看近期科研人員在柔性可延展電子產品研發上面取得的兩項新成果。
1， 可延展的智能電子貼 8月13日，美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校（UCSD）的一組科研人員在國外科學期刊上公開了一款可用于醫療的無線智能電子貼，面積和厚度可匹配一美元硬幣，其功能包括監測心臟和大腦活動、體溫、呼吸、眼球活動等身體信號，還可以遠程操控機械手臂。
UCSD教授兼論文資深作者Sheng Xu表示：“科研團隊并沒有計劃該如何應用這項研究成果，其主要目的是，證明可延展的電子裝置也可以和無延展性電子產品一樣體積小、功能多和性能高。”
展開 Mater.綜述：納米線組裝體制備柔性電子器件——最新進展和展望
與它們的塊體材料相比，低維納米材料具有更高的載流子遷移率和尺寸相關的物理化學性質，在高性能電子器件中顯示出巨大的潛在應用價值，因此吸引了廣泛關注。在各種納米結構中，一維納米結構，如納米線(NW)，由于其獨特的大表面體積、二維限制結構以及電學和光電特性，引起了廣泛關注。由于其優異的機械柔性和量子傳導 (如電子、聲子和光子)的能力，NW非常希望構筑柔性電子器件。因此，各種基于NW的柔性器件，如場效應晶體管、柔性顯示器件、柔性光電檢測器、柔性生物傳感器和柔性能量存儲器件，已經被證明顯示出優于薄膜器件的性能。將單個NW集成到大面積的有序的結構中是連接在NW合成和器件制造之間的重要橋梁，是優化基于NW的柔性電子器件性能的最重要策略之一。首先，組裝好的NW結構將會通過它們的組裝結構產生直接和間接相互作用，使NW組裝體產生的獨特光學、磁性、電學和光譜特性用于柔性電子設備的制備。NW組裝體產生的特性不僅是來源于NW本身比表面積的急劇增加，也是由于集成效果所導致的。進一步，基于納米線組裝體的柔性電子器件與傳統的電子器件相比可以節約更多的材料，具有更好的抗疲勞度以及通用性，包括消費品(顯示器、傳感器和致動器)、能源(光伏、電池和照明)、通信(RFID)、醫療保健(傳感器)和國防(傳感器、光伏和顯示器)設備。當然，將NWs任意組織成密集高效的納米電路是比較困難的，但是自下而上的組裝技術使我們能夠精確的設計和下組裝高密度陣列并用于相應器件的制備。
2. 1D NW 裝體柔性電子器件
可穿戴電子設備可以連接到“物體”上，用于直接數據收集或者為便攜式器件提供熱能或電能，被認為是最有應用前景下一代電子皮膚。在各種材料中，易于編織成紡織品的纖維狀電子器件是最適合制備可穿戴電子產品的候選產品。
展開 液態金屬紙基柔性電子電路轉印技術問世
【前言】
紙張是人們日常生產生活中最為常見的一種材料，近年來在紙基材料上制作柔性電路的研究不斷涌現，并且紙基電子作為一種低成本的柔性電子產品，在智能傳感、可穿戴設備、生物醫療以及教育領域具有廣闊的應用前景。
【成果簡介】
近日，來自清華大學醫學院、中科院理化所及北京夢之墨科技有限公司的劉靜教授團隊成功研發出一種基于液態金屬的紙基轉印柔性電子的制備技術，并探索了其在柔性電子、紙基機器人等領域的應用可行性。該研究成果以“適應于在較寬范圍基底上制造柔性電子的液態金屬一步轉印法”（One-Step Liquid Metal Transfer Printing: Toward Fabrication of Flexible Electronics on Wide Range of Substrates）為題發表在國際知名期刊Advanced Materials Technologies上，論文第一作者為博士生國瑞，通訊作者為清華大學劉靜教授和理化所饒偉研究員。
研究小組發現，液態金屬鎵銦合金暴露在空氣中被氧化后，其表面形成的氧化膜在不同材料表面的粘附力存在明顯差異。一般而言，液態金屬在紙張材料上的粘附性往往較差，同時，大量實驗則發現，液態金屬在一種高分子聚合物材料——聚丙烯酸甲酯（PMA）基底上卻具有異常高的粘附力。
展開 用于電子皮膚熱管理的超薄、柔性、輻射式冷卻界面
來源 | Science Advances
原文 | https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1837
01
背景介紹
隨著柔性材料和加工技術的發展，柔性電子皮膚被視為下一代可穿戴電子設備的“新載體”。運用柔性電子設備結合無線通信技術可以提高信號采集的準確性和多樣性，在臨床檢測和精準醫療中有巨大應用潛力。
然而，柔性電路工作時會產生并積累焦耳熱，導致人體佩戴不舒適甚至面臨皮膚燒傷的風險。此外，戶外溫度、光線以及對流效應同樣會對柔性傳感系統的信號采集造成干擾。因此，開發可以與柔性電子設備良好結合的柔性材料，實現器件散熱、抗環境干擾等功能成為目前國際學界及工業界關注的前沿課題。現有的熱管理技術主要以基于熱傳導和熱對流的方式進行散熱，但是這些散熱模塊因為自身體積、重量以及剛性等限制而不適用于可穿戴柔性電子設備中。
02
成果掠影
香港城市大學于欣格/雷黨愿團隊開發了一種通用的熱管理策略，通過使用超薄、柔軟的輻射冷卻界面（USRI），該界面允許通過輻射和非輻射傳熱來冷卻皮膚電子設備中的溫度，從而實現大于56°C的溫度降低。USRI的輕質和固有的柔性使其能夠用作適形密封層，因此可以很容易地與皮膚電子設備集成。從而可以演示包括柔性電路的焦耳熱被動冷卻，提高表皮電子器件的工作效率，以及穩定皮膚界面無線光電體積描記傳感器的性能輸出。這些結果為在先進的皮膚界面電子設備中實現有效的熱管理提供了一條替代途徑，用于多功能和無線操作的醫療保健監測。
展開 發現控制氣體在多孔材料擴散的“局域柔性”材料
研究人員將該MOF材料填充分離柱，測試了氧氣/氬氣和乙烯/乙烷的分離效果。結果顯示，在180 K、混合氣中氧氣含量僅為5%的情況下，MOF材料對氧氣的純化比例仍能達到95%。在273 K下混合氣中乙烯含量僅為5%的情況下，純化比例仍能達到80%。除了相似氣體的分離，這種擴散受限的MOF材料也可作為氣體存儲的優良介質。
“通常工業上分離氧氣/氬氣的方法是在87 K下進行多級精餾，或引入氫氣燃燒掉氧氣，再分離氫氣/氬氣，但無論哪種方法能耗都巨大。新的MOF在干冰溫度下即可高效分離氧氣/氬氣，為低能耗氣體分離提供了新思路。”顧成說。
顧成表示，這種新的 MOF材料構筑策略是在剛性骨架上引入局域的柔性，即通過微擾來實現對孔結構在埃尺度上的精確控制。“這賦予了MOF材料全新的功能化方法，這種MOF結構和構筑策略為發展未來功能性多孔材料提供了藍圖。”
來源：中國科學報
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
電子系統，包括化工生產中的電子控制器，具有更高的和對小型化、集成化、智能化。但是，電子設備的高度集成通常是伴隨著功率密度的增加和更多的熱量產生，在運行過程中熱量的積累這是很難消散的。過多的熱量積累可能導致電子設備性能下降，甚至因熱失控而損壞設備，嚴重時可能威脅到人的生命財產安全。因此，迫切需要開發更先進、更適用于集成電子設備的熱管理技術和材料。
相變材料(PSMs)通過相變來儲存和釋放熱能，由于其能量密度大、體積變化小、相變溫度相對恒定等特點，在熱管理領域具有很大的應用前景。PCMs憑借其優良的溫度控制和熱管理特性，被公認為過熱保護和電子器件的最佳熱管理材料。然而，固-液相變材料固有的導熱系數低、泄漏、剛性大是制約其在電子設備、5G等高端熱管理領域應用的關鍵問題。
此外，熱管理材料的導電性也應考慮在內電子設備。電子產品中有大量的電路集成芯片中，這將不可避免地產生漏電流。熱管理材料往往由于含有高導電性石墨烯、碳納米管(CNTs)等導電性高的導熱填料，因此容易引起短路。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。
02
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。
展開 
被美國空軍看上，柔性電子將掀一場市場革
柔性混合電子技術正展開從實驗室走向市場的嶄新旅程，展現其橫跨航空、消費電子、醫療保健、機器人和工業自動化等領域的成果；而在這些領域的許多單位與業者也試圖透過這項新技術發掘自家的利基市場...
在NextFlex研發聯盟位于美國硅谷的制造研究中心，柔性混合電子技術正展開從實驗室走向市場的嶄新旅程。該制造研究中心是在2015年底成立的，募集了大約1.65億美元的私人和公共資金，用于推動結合柔性基板印刷電路和超薄芯片的技術進展。
多達50種產品展現柔性電子在橫跨航空、消費電子、醫療保健、機器人和工業自動化方面的成果。這些成果來自于波音（Boeing）和通用電氣（GE）等久負盛名的巨擘、大型合約制造商Flex和Jabil以及眾多學術研究部門，各單位均試圖在該新興技術領域挖掘屬于自己的利基市場。
美國空軍（U.S. Air Force）算是早期采用者，它與NextFlex連手進行大約9項研究計劃。根據一名美國空軍研究人員描述，在NextFlex所進行的研究任務將有助于加速使這一技術成熟。該中心大約有80家成員的商業計劃正在進行中。
NextFlex執行董事Malcolm Thompson表示：“我們的進展十分順利，現在已經不再僅僅忙著與研發團隊打交道，業務部門也正緊鑼密鼓地搭建中。”
美國空軍材料與制造部門執行總監Charles Ormsby說：“我們有50名人員服務于9個NextFlex項目小組，并提供了230萬美元的資金。”
美國空軍的目標是使用柔性混合電子，為飛行員和飛機打造實時顯示器，以監測其健康情況。柔性混合電子也將用于控制電子裝置，減輕從小型無人機到最大商用飛機等各種設備的重量。
展開 印度與英國研究人員研發出柔性電子自我修復新技術
電柔性電子器件在可穿戴設備等小型裝置中應用潛力巨大，但彎折一段時間后里面的電路容易損壞，導致可靠性變差。印度和英國的研究人員日前宣布，他們聯合發明了一種可使柔性電子具有自我修復功能的技術，從而解決這一難題。柔性電子是一種把電子器件安裝在柔性、可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術的通稱，柔性電子器件在一定范圍形變，例如彎曲、折疊、壓縮或拉伸的條件下仍能工作，應用領域非常廣泛。
通電后產生的電流和熱量使銅制微球移動形成鏈型簇。圖片來自網絡
如果能進一步改善其穩定性將大大拓展這種技術的應用場景印度科學研究所和英國劍橋大學的聯合研究團隊在美國期刊《物理評論應用》上發表論文說，他們將半徑為5微米的銅制微球懸浮在作為絕緣體的硅油中，并在硅油中浸入一個斷開的電路，以模擬損壞的電路。當在斷開的電路兩端加上電壓，懸浮的銅制微球開始移動并最終形成一個松散的鏈型簇，從而將斷開的電路連接。
研究人員表示，通電后產生的電流和熱量使銅制微球移動形成鏈型簇，并讓該鏈型簇保持穩定，從而構成類似電線的連接。這種銅制微球鏈的連接具有柔性和伸展性，該方法對電路的修復不需要其他稀有材料或添加任何復雜電路。
不過研究人員同時表示，該技術在應用到微電子設備上前還需要經過更多實驗驗證。
展開 柔性電子 | 日本開發出高抗氧化性的銅鎳金屬復合物墨水
CINNO Research產業資訊，日本國立物質材料研究機構（NIMS）于2022年2月22日宣布，開發出了一種具有更好的抗氧化性印刷電子墨水，這種新墨水能以自組方式形成銅鎳核殼結構。有望作為一種價格低廉且穩定的金屬墨水被推廣使用。
目前主要用于印刷電子產品的銀納米粒子墨水價格昂貴，并且存在阻焊性低、容易產生遷移等缺點。另一方面，價格低廉的銅納米粒子墨水極易被氧化，用于印刷電子產品時，在生產和印刷過程中都需要特殊的設備和工藝。
NIMS研究小組，著眼于研究在大氣條件下可穩定使用的金屬復合物墨水。通過混合不同金屬的復合物，研究小組發現，根據墨水的組成和條件等，有可能將多層核殼結構打印到合金上。
根據這一原理，研究小組使用混合了銅及鎳復合物的墨水進行打印，以自組的方式形成了銅鎳核殼結構。銅鎳印刷線路的電阻率高達19μΩ?cm，這與傳統的金屬墨水的電阻率相當。
使用SEM（掃描式電子顯微鏡）對銅鎳墨水印刷的線路進行元素映射，觀測到銅粒子外圍覆蓋著鎳的核殼結構。使用HRTEM（高分辨率透射電子顯微鏡）觀測顯示，銅和鎳分別呈結晶狀態，通過一個明顯的界面結合在一起。
(上圖)通過SEM對銅鎳印刷線路的元素映射
(下圖）使用HRTEM進行的觀測
研究小組還發現，銅鎳墨水對柔性基板有很好的附著力，對焊料有很強的耐受性。
銅鎳墨水印在各種柔性基板上
基于這項研究成果，NIMS正在與住友金屬礦山和NIMS投資的priways合作開發添加到墨水中的精細銅粉。這兩家公司將于近期出貨樣品。
價格低廉且穩定的金屬墨水走向商業化，預計將會進一步促進印刷電子的普及。此外，通過采用該研究方法，還將會推動具有新功能墨水的研發。
- END -
展開 呂堅教授課題組《ACS AMI》:雙穩態驅動器snap出柔性電子新功能
在眾多應用場景中，電子器件通常無法重構進而改變其功能。在一些特殊場合，例如太空或海底，電子設備需要利用有限的空間，以不同的三維構型發揮不同的功能。近年來，三維自組裝、3D打印技術、智能導電材料為三維電子的可重構提供了新的思路。然而，就現有的可重構三維電子器件而言，主要研究目標是簡化復雜的驅動機制和降低對導電材料的苛刻要求。
圖1. 雙穩態驅動器和可重構 3D 電子設備的制備示意圖。
香港城市大學國家貴金屬工程研究中心博士后陳舟和太赫茲及毫米波國家重點實驗室博士生孔商成，利用柔性雙穩態結構實現了三維電子器件的結構重構和功能拓展。雙穩態結構具有特殊的力學行為，已被廣泛用作軟執行器、能量吸收裝置、智能開關、微透鏡表面等。在這項工作中，拱形雙穩態軟結構的一側經過紫外線/臭氧 (UVO) 處理后成為了一種智能雙穩態驅動器。由于UVO處理層和未處理層對不同屬性的溶劑有溶脹反應，因此致動器能夠在溶劑作用下表現出快速突跳（snap-through和snap-back）行為。柔性雙穩態結構能夠驅動鍵合于其上的柔性電路板在原始彎曲構型和三維屈曲構型之間反復切換，豐富了電子器件的三維構型，擴展了電子器件的功能，如圖1所示。這一思想不僅提供了一種重構三維電子器件的方法，而且豐富了三維電子器件的功能設計思路。
圖2.
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