[柔性电子]取代硅?新方案采用特殊材料制作柔性

  2018年10月31日,柔宇科技发布第一款柔性屏手机“柔派”,意味着柔性电子正式在屏幕显示领域由实验走向商用,这预示着新一轮的屏幕革命将正式开启。

  柔性显示屏的成功应用,意味着柔性电子开始从理论走向实践,它可能开启新一轮的电子器件革命,使人跟机器的距离更加亲密。有机材料的柔性电子设备是一个可以和生物“共生”的机器,现在屏幕已经出现了,其他器件还远吗?

  柔性屏之所以薄跟构成屏幕的电路板的最大承受弯曲半径有关。比如一张1毫米的屏幕,我们将它弯曲到半径为1厘米,那么这个材料的承受弯曲程度为5%。如果我们将材料做薄,做到0.01毫米级别,那么我们按照5%的弯曲强度来计算,材料的弯曲半径就是0.01厘米,也就是一微米。这种级别的弯曲半径意味着人们可以随意弯曲而不会损坏元器件,甚至可以像柔纸团一样揉成一团,展开依旧完好无损。这也是柔宇科技的核心竞争力,将柔性屏做到至轻至薄。

  柔性屏为什么薄

  “柔派不同于传统的手机,它是一款手机平板二合一的产品,由一块7.8英寸的高分辨柔性显示屏组成。可以折叠成手机,也可以张开当作paid使用。与其他手机发布会比拼摄像头,比拼销量,比拼CPU情况的不同,“柔派”的发布会,折叠屏是它最大的亮点,这是一个质的突破,给现场观众带来巨大的视觉冲击。

  柔性屏区别与传统的刚性屏幕,可以随意弯折而不影响使用。据介绍柔宇集团出品的“蝉翼”柔性显示屏集成了超过2000万个超精密器件,600万级柔性集成电路,但是总厚度只有0.01毫米。这意味着厚度只有头发丝的五分之一。

  作为柔性电子元器件,第一个有机半导体发明至今已经将近40年,这40年的时间里,柔性电子一直处于理论研究和技术攻关状态。

  柔性屏手机“柔派”

  什么是柔性屏

  但是柔性电子更大的应用在于医疗领域,即嵌入式显示控制设备。传统的人体外部检测设备是将电极接合在导电凝胶中,然后贴于体表。缺点是凝胶会干,失去粘性,设备容易脱落,体验感很差。柔性电子就可以解决这些难题,柔性器件可以非常紧密的贴合在皮肤表面或者植入皮下组织。由于有机半导体材料,对身体排斥小,佩戴体验感会很好。这种仪器可以随时检测人体的血压,脉搏等基本特征,通过体表的显示屏实时显示具体数据。它的另一用途可以嵌入身体释放缓释药物,比如糖尿病人,就不用每天注射胰岛素了,通过柔性电子器件控制药物释放,维持身体血糖。

  柔性电子的未来

  柔性屏是柔性电子在显示领域的一次重大技术革新,它的制备成功给了所有界面显示的可能。这意味着,你能触碰的任何地方都可以做成显示器,可以操控输入与输出。

  未来……欢迎大家留言讨论。

  杭州能否抢先一步?

  今年5月,下沙联合清华大学等国内外顶尖研究团队,在大创小镇内成立了柔性电子与智能技术全球研究中心。

  “柔性电子是当前科技界研究的前沿和热点,也是开发区重点布局谋划的产业方向。”杭州经济技术开发区管委会党工委书记、管委会主任邵立春说,这次会议为下沙更好地了解柔性电子前沿技术、推动相关产业发展提供了一次难得的契机。

  来自中、美、韩等多个国家和地区的约400名参会者把整个会场坐得满满当当。美国科学院、美国工程院、美国艺术与科学院三院院士John A.Rogers,美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、欧洲科学与艺术院院士黄永刚和中国科学院院士刘云圻等国际顶级专家在会上做了精彩发言。

  这是记者7月16日在杭州市经济技术开发区(下沙)举行的全球首届柔性电子国际学术大会上的所见所闻。而上述这些发明能够实现,靠的就是柔性电子技术。

  柔性电子技术还可以助力传统产业的转型升级,如塑料、印刷、化工、金属材料等产业,提升其产业附加值。目前,杭州正在积极推动传统产业的提升改造,推动信息化与工业化的深度融合。柔性电子技术在传统产业中的应用,也必将给这些行业带来巨大变革。

  全球首届柔性电子国际学术大会为期两天,于7月16日至17日在杭州下沙举行。

  这与下沙打造“全球柔性电子产业高地”的目标不谋而合。在会议现场,邵立春向John A.Rogers、黄永刚、刘云圻三位院士颁发了“创新发展顾问”聘书。

  在这场变革中,作为创新活力之城的杭州,自然不能缺席。

  这次大会的举办,为杭州产业界、企业界提供了一个了解柔性电子领域前瞻技术进展的重要平台。柔性电子与智能技术全球研究中心等研究机构和企业的落地,为前沿柔性电子技术在杭州的落地应用提供了机遇。

  2018-07-16 19:33 浙江新闻客户端 记者 唐骏垚 通讯员 陶青 李皓 摄影 童志忠

  可以像手帕一样折叠起来的电脑显示屏,可以像纸一样卷起来的太阳能发电板,可以像人类皮肤一样柔软的心率血糖检测设备……这些看似神奇的发明,有些我们已经能够用上了,有些在不久的将来也会实现。

  在该中心,记者看到了一款应用了柔性电子技术的心电监测产品。这款名为“智柔心电贴E1”的产品,就像一张椭圆形的小卡片,但很柔软。

  那么,什么是柔性电子技术?它到底有何种魔力?

  世界十大科技成果之一

  下沙打造中国“柔谷”

  早在2000年,美国《科学》杂志曾将柔性的有机电子技术进展与人类基因组草图、克隆技术等重大发现并列为世界十大科技成果之一。

  这些“星星之火”,是否能在杭州、在浙江形成柔性电子发展的“燎原之火”,我们拭目以待。

  一位工作人员介绍说,它可以黏贴在左胸口,实时进行人体心电监测。“它可以通过蓝牙跟手机APP连接,直接查看各项数据。如果数据不在正常范围内,手机就会发出预警。这款产品已经做完了临床实验,目前正在等待最终审批。”

  2017年底,杭州市正式出台了《关于加快推动杭州未来产业发展的指导意见》,紧盯人工智能、虚拟现实、区块链、量子技术、增材制造、商用航空航天、生物技术和生命科学等前沿技术领域。

  柔性电子与智能技术全球研究中心筹备组副组长方燕群告诉记者,该中心是浙江清华柔性电子技术研究院的重要组成部门,与位于北京、嘉兴的研究中心联动,致力于在浙江打造一个中国“柔谷”——柔性电子技术产业集聚地。

  专家们介绍,柔性电子技术是一门新兴学科,是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术。它独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。

  柔性显示器、柔性照明、柔性太阳能电池、柔性传感器等产品已经逐渐从实验室走向市场,柔性电子技术正在带来一场电子技术革命,引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。

  这些产业领域,基本都与柔性电子技术紧密相关。比如人工智能、航空航天、生物技术等不少设备,都需要柔性电子技术作为支撑。

  在会场外,下沙已经将柔性电子列为重点产业方向,联合清华大学等国内外顶尖研究团队,力争打造全球柔性电子产业高地。

  然而,六方氮化硼是由电性相反的硼和氮原子组成,会在材料本身内生成一种极性。在他们的实验中,研究人员发现,任何流过六方氮化硼的原子,即使它们本身是具有高度极性的,也不能与它们下层的晶圆完全交互。这也表明,感兴趣的原子和中间材料的极性,都决定了原子是否会进行相互作用,从而形成原始半导体晶圆的副本。

  他说,通过这一新认知,研究人员现在可以简单地查看元素周期表,选择电荷相反的两个元素。一旦他们通过同样的元素,获取或者制造出主要的晶圆,然后就可以采用团队的远程外延技术制造原始晶圆的多层精准副本。

  价值

  研究人员称,这项技术提供了一种低成本方案,能制造出由任何半导体元素组合而成的柔性电子器件,比现有硅基设备的性能更佳。

  机械工程、材料科学与工程系副教授 Jeehwan Kim 表示:“我们已经开辟了一条通过许多其他不同材料系统(并不是硅)制造柔性电子设备的途径。” Kim 希望这项技术未来可用于制造低成本、高性能的设备,例如柔性太阳能电池、可穿戴计算机与传感器。

  【2】Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Yifan Nie, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard J Molnar, D. Kurt Gaskill, Rachael L. Myers-Ward, Kevin M. Daniels, Yuewei Zhang, Suresh Sundram, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Siddharth Rajan, Yang Shao-Horn, Kyeongjae Cho, Abdallah Ougazzaden, Jeffrey C. Grossman, Jeehwan Kim. Polarity governs atomic interaction through two-dimensional materials. Nature Materials, 2018; DOI: 10.1038/s41563-018-0176-4

  (图片来源:Wei Kong 和 Kuan Qiao)

  Kim 表示:“人们主要采用硅晶圆,是因为它们廉价。现在,我们的方案打开了一条途径,采用了表现更好的非硅材料。你可以仅购买了一个昂贵的晶圆,并一次又一次地复制它,不断地重用晶圆。现在,这项技术的材料库是完全可扩展的。”

  在报告了首个成果之后,团队在考虑他们的技术是否可用于复制其他的半导体材料。他们尝试将远程外延技术应用到硅和锗,两种廉价的半导体材料,但是却发现他们让这些原子从石墨烯上流过时,它们无法与它们各自的下层进行交互。比方说,石墨烯之前是透明的,突然变得不透明,阻挡硅原子和锗原子“看到”另外一端的原子。

  Kim 表示:“在智慧城市中,我们想要让小型计算机变得无处不在,但是这需要通过更好的材料制成低功耗、高灵敏度的计算与感知设备。这项研究将为通往这些设备开辟道路。”

  背景

  参考资料

  他们发现,极化的程度越深,原子的相互作用就越强,甚至在一些案例中,可以透过多层石墨烯片。他们能生产的每种薄膜都是柔性的,厚度差不多仅为几十纳米到几百纳米。

  Kim 表示:“现在,我们真正地理解到原子透过石墨烯进行相互作用的规则。

  团队认为:也许只有原子具有一些离子电荷时,才能透过石墨烯进行相互作用。例如,在砷化镓例子中,在界面上,镓具有负电荷,而砷具有正电荷。这种电荷或极性的差异,将帮助原子透过石墨烯进行相互作用,如同石墨烯透明一般,从而去复制底层的图案。

  团队发现,原子透过哪种材料进行相互作用也很重要。除了石墨烯,他们实验了六方氮化硼(hBN)中间层,一种类似于石墨烯原子图案的材料,并具有类似特氟龙的品质,在复制时,堆叠在其上方的材料可以被很容易地剥离。

  关键字

  (图片来源于: Jose-Luis Olivares/MIT)

  10月8日,这项新技术的细节报道在《自然材料(Nature Materials)》期刊上。这项研究得到了美国国防高级研究计划局、能源部、空军研究实验室、LG电子、爱茉莉太平洋集团、泛林集团以及ADI公司的部分支持。

  如今,绝大多数的计算设备都是由硅制成。硅是地球上含量第二丰富的元素,仅次于氧。硅以各种形式存在于岩石、粘土、沙砾和土壤中。虽然它并不是地球上最佳的半导体材料,但却是最容易获取的。因此,在传感器、太阳能电池、以及计算机与智能手机中的集成电路等大多数电子设备中,硅是占主导地位的材料。

  他们称这项技术为“远程外延”,它提供了一种制造砷化镓多层膜的低成本方案,只使用了一片昂贵的下层晶圆。

  半导体、石墨烯、柔性电子

  Kim 表示:“它给了我们一个提示。”

  硅与锗,碰巧是元素周期表中同一主族的两种元素。特别的地方是,两种元素属于第四主簇,此类材料是离子中性的,意味着他们没有极性。

  导读

  创新

  2017年,Kim 及其同事们采用石墨烯(由原子薄度的碳原子薄片组成的二维蜂窝状结构),设计出一种制造这种昂贵的半导体材料的“副本”的方案。笔者之前介绍过这一方案,相关文章标题为:《晶圆之母?石墨烯"复制机器",降低晶圆制造成本!》。

  为了测试了他们的假设,研究人员们采用远程外延法,复制具有不同极性的半导体材料,从中性硅和锗,再到轻微极化的砷化镓,最后是高度极化的氟化锂(一种比硅更好、更昂贵的半导体)。

  Kim 表示:“我们发现,透过石墨烯的相互作用却决于原子的极性。对于最强离子键的材料,他们甚至可透过三层石墨烯进行相互作用,类似于两个磁体相互吸引的方式,这种吸引甚至可以透过一薄层的纸。”

  近日,美国麻省理工学院的工程师们开发出一种新技术,采用一批特殊的材料,取代硅,制造出超薄的半导体薄膜。这项技术提供了一种低成本方案,能制造出由任何半导体元素组合而成的柔性电子器件,比现有硅基设备的性能更佳。

  近日,美国麻省理工学院的工程师们开发出一种新技术,采用一批特殊的材料,取代硅,制造出超薄的半导体薄膜。为了演示他们研发的技术,研究人员制造出了由砷化镓、氮化镓和氟化锂材料组成的柔性薄膜,这些材料的性能比硅更好,但是迄今为止,用这些材料制造功能设备,昂贵到让人望而却步的程度。

  经过镜面精加工的硅晶圆(图片来源:维基百科)

  他们发现,当将石墨烯堆叠在纯净、昂贵的半导体晶圆材料例如砷化镓上,然后让镓原子和砷原子从石墨烯堆上流过,这些原子似乎通过某种方式与下面原子层进行交互,似乎中间的石墨烯是不可见的或者透明的。结果,这些原子集合到下方半导体晶圆的精密的单晶图案中,形成了一个精确的“副本”,然后可以轻易地从石墨烯层上剥落下来。

  【1】http://news.mit.edu/2018/study-flexible-electronics-made-exotic-materials-1008

  Kim 希望,远程外延技术现在可利用之前被认为是特殊的一系列半导体材料,制造出超薄的柔性膜,只要这些特殊材料是由具有一定程度极性的原子组成。这种超薄膜有望通过相互层叠,制造出微小、柔性、多功能的设备,例如可穿戴传感器、柔性太阳能电池,甚至在遥远的未来,“手机将可以贴到皮肤上。”

  技术

  胡雪丰博士是新加坡国立大学化学于生物分子专业博士,围绕新型生物材料与医疗器械领域做了大量研究。胡雪丰博士告诉动脉新医药,他在研究中发现,当微电流可以显著提高抗生素对细菌生物被膜的杀灭效果。这个发现让他很兴奋,因为一旦细菌紧密排列生长,并分泌胞外基质形成包被,导致安全浓度的抗生素无法穿透被膜,杀死细菌。电场的作用推动抗生素穿透细菌包被,直达里层菌群。

  高端贴片面膜市场亟待革新

  目前,柔电云科在成都市高新区建立了生产场地,共有20余名主要从事研发和生产工艺的全职员工。由于潜在客户预定数量巨大,公司已经在设计厂房扩大产能。

  更多转化成果在路上

  2016年,胡雪丰博士被四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心正式引进,成为青年骨干教授。彼时,他的本科同学杨泽宇已经注册了自己的公司,从事柔性电子产品解决方案研究。双方在基于柔性电子技术进行电刺激以及透皮给药的应用进行了深入探讨随后,胡雪丰博士加入这家名为柔电云科的公司,成为主任科学家。

  此外,为了提高即将面市的电子皮肤产能,将透皮给药技术应用到医疗器械,柔电云科已经启动A轮融资。

  动物实验和人体试验都在华西医院的部级化妆品检验平台进行。实验中,胡雪丰带领团队先后将亲水性的大分子玻尿酸溶液涂抹在剃过毛的大鼠和兔子表皮,覆盖面膜后通电。电场持续一段时间后,研究人员取下受试动物皮肤组织切片,测试玻尿酸触达的皮肤深度。

  拜访临近结束时,郭仪强调,尽管柔电云科现阶段将面膜作为电子皮肤的应用重点,他们已经持续多年的技术成果转化工作不会停下来,更多的转化成果将陆续面市,包括可用于玩具无人机控制和VR交互的动作捕捉手套等电子皮肤应用,用于电刺激减缓疼痛及理疗康复,用于检测人体压力分布的柔性传感技术,已经与华西医院启动了研发合作关系。

  郭仪告诉我,品牌商了解柔电云科电子皮肤的作用原理后,纷纷表示了合作意愿。“预计到2019年第三季度,搭载了柔电云科电子皮肤的面膜产品将陆续进入市场。”郭仪相信,电子皮肤面膜将很快突破市场,带来巨量求量。

  “每一个新产品上市,都会让我们对成果转化这件事更有信心。”郭仪如此感叹。

  基于前期的科研和转化合作,柔电云科得以成为生物材料国家中心的一个重要成果转化中心。胡雪丰博士告诉我,中心作为国内第一个国家级的生物材料工程中心,研发实力位列全球软科学第24位、国内第2位,国家中心的多名专家受邀成为国家药监局医疗器械评审顾问专家。此外,国家中心下设四川省医疗器械检验中心,是国内3家结果被全球公认的全套生物安全性检验的检测中心之一。

  在郭仪看来,首创殊荣来之不易。由于市场上没有现存的参考体系,柔电云科在前期研发中通过自主设计算法,经过上千次实验才确定算法,在产品效果和用户体验之间找到稳定的平衡点,“从产品确定思路到进入动物实验再到产品样机,我们用了两年时间。”

  胡雪丰博士在国家中心的实验室

  柔电云科很快开始了动物实验。几经曲折,柔电云科通过动物实验取得了理想的数据,并据此发表本文开头的两篇文章。胡雪丰博士告诉动脉新医药,柔电云科已经完成导电敷料的人体临床试验设计,预计将在两年内申报三类医疗器械产品注册证,首批适用场景为糖尿病足。

  郭仪告诉我,通过不断的技术成果转化,柔电云科希望能够成为电子皮肤领域的核心部件供应商。据了解,在成立早期,柔电云科曾获得合力资本千万级的天使轮融资,并将首个柔性心电监测产品的研发,并于2018年通过与国内知名医疗器械企业合作,将产品推向市场。

  经过多次尝试,胡雪丰团队检测到玻尿酸可以透过表皮层下1毫米多,进入血管密集分布的真皮层。由于大分子亲水性药物无法被送入皮肤是目前透皮给药面临的最大瓶颈,“这意味着我们解决了透皮给药中最困难的部分。”回想起取得动物试验数据的瞬间,胡雪丰依然非常兴奋。

  柔性透皮给药核心材料是柔电云科自主研发的电子皮肤技术以及导入算法,可对皮肤进行无创口微电流药物导入,其在消费领域最主要的应用场景是提供制作面膜的原材料。

  面膜作为美容保养品的一种载体,是少数以国产品牌为主导的化妆品种类。近年来,以日韩为先导、国内自主品牌为主体的亚洲面膜市场已经占据全球面膜市场超过七成的市场份额。据估算,国内面膜市场规模接近400亿元。面膜有多重类型,包括贴片式、水洗式、睡眠免洗式、撕拉式、旅行压缩式等不同载体,国内贴片式面膜市场占有率过七成,其中以补水保湿为首要功能的贴片式面膜市场份额超过五成。柔电云科并不希望成为一家面膜厂商,而是希望与品牌方合作,将其作为促进各种有效精华进入皮下发挥作用的核心辅助。消费升级的背景下,面膜品牌商往往希望引入技术元素摆脱同质化竞争,而柔电云科经过科学量化检验的电子皮肤无疑是一个理想的选择。“我们选择与品牌商合作,以电子皮肤为底层材料,由品牌商提供精华液等护肤材料,并直接推向市场。”

  本次同行的柔电云科首席运营官郭仪告诉我,由于已经预计到医疗器械研发周期长,他们同步开发的消费级应用产品已经陆续进行商业化,其中包括2017年立项研发的柔性电子材料透皮给药技术。

  电刺激修复慢性伤口

  今年4月,由柔电云科主任科学家胡雪丰博士领衔的研究团队在生物材料领域的世界一流杂志《Acta Biomaterialia》与《Journal of Materials Chemistry B》(封面文章)上发表了最新的研究成果,他们首创了基于柔性电子材料的电刺激用于促进慢性伤口治疗技术,此事引发行业普遍关注。实际上,这是继两年前电子皮肤产品登陆CES官网封面后,柔电云科的又一次高调亮相。

  随后,柔电云科开始启动了友好用户试用。实际上,从动物实验到人体试用,调整产品设计细节的工作量仍然庞大。比如人体试验所使用电子皮肤的面积比动物实验更大,需要重新各种参数的调整,同时还需要对下游的生产工艺做出更新等。这个过程持续了1年半,直到在华西医院的卫生部化妆品检验平台里进行的专业测试结果显示,与普通面膜相比,受试者使用柔电云科的电子皮肤导入后皮肤含水量高出3倍,水分流失速率降低30%,数据被验证让团队备受鼓舞。

  据胡雪丰博士介绍,柔电云科的电子皮肤的杨氏模量与人体皮肤完全一致(注:杨氏模量是表征材料软硬度的量化指标),“我们在全球范围内第一次把一种金属的杨氏模量做到与人体皮肤一致。”虽然柔性电子技术已经在半导体材料中多有应用,但是让柔性导电材料具有可反复扭曲折叠和拉伸的特性。

  实际上,这次发表的两篇文章只是胡雪丰团队多年研究的阶段性成果。而研究的部分前期成果,正在进行产业转化,即将实现量产。

  实验数据出来后,郭仪变得比以前更忙碌。几个月来,他不间断地见了数家合作伙伴,柔电云科电子皮肤已经将触角伸向了日本。

  消费级转化变革面膜材质

  胡雪丰和杨泽宇设想中柔性电子材料电刺激促进组织修复的第一个应用场景就是慢性伤口修复。临床上,慢性伤口通常指由各种原因形成创面,接受超过1个月治疗未能愈合,并无愈合倾向的伤口。糖尿病患者、需要长期卧床者是慢性伤口的高发人群。目前,临床上尚无有效的治疗方式,伤口长期暴露在外大概率会诱发感染,严重时将危及生命。

  文章中,胡雪丰团队对常见的伤口敷料水凝胶进行了特殊处理,从而解决了水凝胶在弱碱性生理环境中导电率降低的问题。体外划痕试验和动物体内测定结果显示,经特殊处理的水凝胶能够预防细菌粘附和蛋白质吸收,这有助于减少伤口在更换敷料期间感染和二次损伤的可能性,性能优于商业Hydrosorb敷料。

  柔电云科运用导电材料制作慢性伤口敷料,以微电流刺激伤口处细胞的生长与分化,从而促进伤口愈合,“这种治疗方式操作简便、副作用少,在研究阶段就得到了国内很多慢性创伤专家的认可。”

  以下是圆桌实录,钛媒体编辑删减整理:

  张璐有着同样的看法,她认为人工皮肤技术的出现让个性化医疗、持续性监控变得更加容易。“我们希望所有未来的设备,还有医疗器械,都可以更加的小型化,现在人工皮肤,包括柔性电子器件,不仅小型化,还有柔性化,无感的使用,成为人体的延伸。”

  张璐:鲍教授也有这方面的研究,人工皮肤这个项目也是非常典型的应用。

  作为数据信息的入口,传感器的核心是材料技术创新。鲍哲南坦言,人工皮肤很重要的一点,就是可以像人的皮肤一样有很灵敏的功能,利用这个功能,可以得到很精确的脉搏跳动,可以做成血压计,这是一个比较早期切入市场的方向。

  谈柔性电池

  我现在更愿意往回退一步,不用想那么多应用的问题,只想一个问题,怎么把柔性电子器件,把传感器做好,把系统做好,后面可用的东西不一定非得我来做,我们有这么多人,他们可以把这些应用用不同的领域,甚至超过我想象的地方。我个人对于搞材料来说,包括技术相关的,就把它真正做到极致为止,做到别人不能做,只有你能做到。

  柔性电子器件的商业化挑战

  张璐:我们有没有可能把电池技术和柔性技术结合在一起变成柔性电池呢?

  张璐:下面一个问题,George M.Whitesides,您最近做了很多软体机器人的实验和研究,同时也有很多研究是在临床应用方面的,我想了解一下柔性材料还有机器人在医疗方面应用的情况是什么。

  George M.Whitesides:我们可以去想象,在柔性材料和医疗方面的关系,两者之间的关系直接想到的就是人的手,在医疗保健的过程中,护士是非常重要的角色,因为医生可能会做一些手术。但是很多医疗的照顾和看护都是由护士来实现的,会做很多患者所需要的医疗服务。护士是否能够解决所有问题,尤其是中国和美国在人口不断增加的情况下,护士的数量是否足够?这是两国所面临的一个问题。

  题图来自视觉中国

  我们有些可穿戴的,比如测心跳的,本来整个产品已经可以做到非常小,非常薄了,就是因为电池像钮扣一样很厚,使得整个产品是厚厚的产品,电池如果能做到轻薄,会有很多新的机会,而且电池如果是很薄,就像晓东讲的,可以做成很多不同的形状,设计上方面又有很多的可能性。

  鲍哲南:对于材料响应性研究方面而言,已经取得了一些成绩,目前对于四种不同的刺激,材料已经能够具有较好的响应。比如化学信号响应,光响应,温度响应等等。这些不同的响应行为如果能够整合到一起,也许能够有进一步的应用场景。

  还有医药企业,他们本身是有一定商业模式的,从商业的角度来讲,可能会有更加有说服力,可以推广相关的技术,很多人都会用非常高的价格使用这些新的材料和技术。

  张璐:当我们讨论到未来电子设备的时候,肯定是要考虑到电池,还有用电的问题,对于很多应用来讲都有很多问题,对于柔性技术来讲是不是不会用太多的电池,我们用现在的电池有足够了?还是说需要新的技术?

  陈晓东:必须要讲材料的好处,我觉得柔性电池,或者超级电动器,有很大的潜力存在的地方,比如我们课题组最近做了两件事情,把柔性的超级电容器变成跟一张纸一样,任何的剪裁,可以变成图案化,有点像纹身,贴在皮肤上。我们又做成三维的,可以任意折叠变成二维的,也可以伸展成三维的,跟纸一样,这是超过我们平常想象的事情,可以做的东西很多,完全可以改变很多工业上现有的处理方法。

  鲍哲南:对,超级电容是一个可能性,另外,锂电池也可以把它变成柔性的,甚至是可拉伸性的。就像晓东刚才说的,在材料科学,材料化学上,有很多新的挑战性,从研究的角度来说,这是新的研究方向,随着可穿戴电子越来越广泛的推广,电池是一个非常重要的问题。

  陈晓东:有很多挑战问题,举个例子,我们所有人都有这种经历,小木刺刺到手指里,一定要拿出来,否则会很疼。如果是刺到脑颅里面,你觉得会不会有问题?这些是材料科学家要解决的问题,怎么把电极做得更软一点,具有更好的生物相容性,更加舒适,因为舒适度很重要。这就是材料科学家能做的事情,我个人非常欢迎大家有兴趣的人进来。

  张璐:您做了很多柔性器件的应用和大规模量产,从柔性电子器件到量产,到大规模商业化,面临的最大挑战什么?

  张璐:在数据信息时代,任何一个数据信息都需要信息入口,最重要的一层就是传感器,传感器核心就是材料技术方面的创新。鲍教授人工皮肤应用在医疗方面进行了许多探索,请您多介绍一下?

  陈晓东:对于未来的柔性电子器件,最理想的是完全可拉伸、可折叠的,如果这个问题跟工业界、投资界去说,他们等不了十年、二十年,现在有一个复合电子学,把传统的技术加上柔性的、可拉伸、传感的结合在一起,变成有显示产品。大家已经在市面上看到这样的产品了,对业内来说是很令人鼓舞的事情。

  陈晓东:从硬的变成软的,已经有很多很多难点。从应用角度来说,到底硬在哪里,比如从医疗,驾驶,比如我们车上有传感器,飞机上有传感器,包括军队在使用的,飞行员也有传感器,我们有航母,航母也有传感器,可用的东西非常多。

  我认为在医疗的角度,我们不仅仅要关注于临终关怀,对于各个阶段的病人来讲都需要关注,尤其是对于儿童,在儿童时期的医疗对他的一生都会有影响,我们希望能够在这方面来进行研究。所以,不仅仅是在研究癌症方面的内容,同时也进行其他年龄段的研究。

  谈脑机接口与柔性材料

  人工皮肤的感知、触觉,这只是其中的一部分传感的功能,还有肌肉运动的电信号,脑电波,心电波,更重要的是一些化学的信号,这些化学信号可以从唾液中测到,可以从汗液中测到。这些数据是非常多的数据,而且每一个人在不同的时间,所测到的信号都会变化。

  张璐:刚刚也说到我们所看到的并不是所谓的数据,看是不是有市场潜力。

  “在未来,像皮肤一般的电子设备将会扮演着非常重要的角色,将会是我们和外部进行交流的方式,也会是我们人际交流的方式。”在11月17日举办的F2 科学峰会上,鲍哲南如是说。

  两年前,斯坦福大学化学工程系教授、美国工程院院士鲍哲南在斯坦福创建了可穿戴计划中心,将不同学院、不同学科的学生和教师们集合在一起共同研究“柔性电子器件”。

  而且需要不同的材料叠加起来,可能有几十层的材料,每一层材料需要有好几种工艺,做成的时候大概有几百步的工序,每一步都需要百分之百的成功率,是非常具有挑战性的。很高兴看到柔宇可以把电子屏幕量产化,这是非常重要的里程碑。

  所以在这个过程中,人体工学也是非常重要的领域,人体肯定跟计算机设备有很大的差别,我们要用非常复杂的但是又易于操作的设备,这样才是比较好的解决方案。我们有这样应用的界面,有一些传感的功能。

  陈晓东的课题组最近做了两件事情,把柔性的超级电容器变成纸一样,贴在皮肤上;又做成三维,可以任意折叠变成二维。“这是超过我们平常想象的事情,可以做的东西很多,完全可以改变很多工业上现有的处理方法。”

  谈人工皮肤

  George M.Whitesides认为用柔性材料做成传感器,并且让它植入在人体内或者皮肤下,这可能是未来的一个领域。

  鲍哲南:柔性电子的生产,因为不是传统电子工业的生产,生产设备、新的材料,还要考虑到一套工序之后最终产品的产率,这是一个很有挑战性的事情。提高产品的成功率,也就是保证生产出来的器件都要能够工作,这是最困难的事情。

  为探讨柔性电子器件的研发现状与商业化前景,在F2 科学峰会上,张璐、鲍哲南教授与哈佛大学讲席教授、美国艺术与科学学院院士、美国工程院院士、美国国家发明家科学院院士、美国科学院院士George M.Whitesides,新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院教授和副院长、南洋理工大学柔性器件创新研究中心主任陈晓东展开了一场讨论。

  鲍哲南:去测脑电波,现在有一些不同的技术,用柔性的材料去测脑电波其实是很重要的发展方向,因为现在已有的电极,要么是很硬的用金属做的,直接植入脑内,会损害软的脑组织。另外一点,用柔性的电极,不但会跟脑组织柔性匹配,另外通过设计这些材料,可以使得它们相比金属电极具有更高的灵敏性,获得更多信号,如果用来做脑刺激,用更小的电压就可以得到同样的效果。所以,不单具有生物上的匹配性,另外会有更好的功能。

  George M.Whitesides:软性材料非常轻,不需要太多散热功能,因为本来就可以散热。但是在这里面有一些非常有意思的地方,比如其中一点,对于那些没有所谓的连接点的,或者没有可移动的那些部分,在进行设计的时候要用不同的设计,有些时候材料可能特别贵,如果不能用电池,用一次就扔掉可能太贵了。因此从这里面来看,如果未来有极大需求,这些具体的问题是需要具体解决的。

  鲍哲南:人工皮肤很重要的一点,就是可以像人的皮肤一样有很灵敏的功能,我们利用这个功能,可以得到很精确的脉搏跳动,利用这个原理可以做成血压计,使测血压连续性测试,甚至在小孩婴儿身上也可以来测试。人工皮肤虽然在未来有很多应用,但是近期这是一个比较早期切入市场的方向。

  George M.Whitesides:关于控制的问题,它是一种非常直接的方式,比如如果我们的系统本身有一定的自身局限性,是不是能够很好的实现抓取的动作呢?这些都是我们要考虑的。另外,我们要考虑技术开发的目的是什么,比如有些材料是柔性的,是否能够应用在人体方面,用柔性材料做成传感器,并且让它植入在人体内或者皮肤下,这可能是未来的一个领域。

  可植入设备也是鲍哲南教授的研究方向之一。关于可植入设备,钛媒体曾报道过,因YY李学凌朋友圈意外走红的“植入芯片”,实际上是其AI慢病管中的一款医用级传感器,这些医用级生物传感器为普通用户打开了一个观察自己身体运作的窗口,让原本被放养的健康数据有了自我精细管理的可能。

  张璐:也就是说人工皮肤技术的出现让我们以后的个性化医疗、持续性监控变得更加容易。我们希望所有未来的设备,还有医疗器械,都可以更加的小型化,现在人工皮肤,包括柔性电子器件,不仅小型化,还有柔性化,无感的使用,成为人体的延伸。

  张璐:修复脑损伤和提升脑功能,都要涉及到嵌入式的设备。做得好的公司已经在用这种柔性材料了,这个行业做的第一家公司也是这个技术做得很好的,我也是他们的投资人,他们从2015年开始利用纳米纤维,做成柔性器件,植入大脑之后去实现一些功能。现在已经拿到美国国防部几千万的资金进行商业研发,建议你去看这类公司的发展,这才是真正脑机接口的应用,应用的核心已经是我们的柔性材料了。(本文首发钛媒体,作者/付梦雯)

  现场观众提问:教授们好,我想陈教授和鲍教授一个问题,你们刚才讲到柔性材料大多是传感器相关的,我们现在对脑机交互非常感兴趣,提升注意力等一些东西,有没有可能柔性材料做到跟刺激相关的东西,帮助人们提升注意力,或者辅助睡眠。如果不可以,技术难点在哪里?

  George M.Whitesides:早期有很多人想发明这种柔性电池,现在也有个很大的问题,说到电池就是那些元素,没有办法使用完全全新的要素来制作电池。如果说我们把它们做得非常柔软,就要特别注意离子到底怎么运动,电池本身是非常复杂的。我们必须要利用现在的电池技术,把它和现在的柔性技术结合在一起,而不是发明全新的柔性电池,这种是没有市场的。

  Fusion Fund 创始合伙人张璐从本科就开始读材料工程,她经常被问到一个问题,你们专业能做什么?张璐认为,材料科学工程,材料化学工程,柔性材料,都是离商业应用非常近的学科,未来应用的前景非常巨大。

  张璐:我们有了传感器,帮助我们更加了解自己的健康,通过大数据更好的了解我们的身体,很多疾病是可以被预防的,可以减少很多问题。柔性电子器件的未来非常巨大,哪个具体的方向是现在的没有解决的问题呢?

  谈软体机器人

  如果要真的从这些信号当中取到很有用的信息,并通过信息能够推理出这个人的健康状况和情绪状况,在这个情况下大数据的处理、人工智能是非常重要的。因为这些数据并不是没有规律,需要人工智能将这些传感器所收到的信号结合起来进行处理,这是将来发展的趋势。

  张璐:有些时候技术并不能解决所有问题,我们当然非常希望这些材料能够应用到传感器和控制器上,但是我们在这方面如何能够做到呢?

  在鲍哲南看来,十年、二十年之后,智能手机已经不再存在,但智能手机的功能会逐渐的分解成穿戴的衣服,或是皮肤表层。

  在碳纳米管和石墨烯的综合应用上,制备了可以高度拉伸的透明场效应晶体管,其结合了石墨烯/单壁碳纳米管电极和具有褶皱的无机介电层单壁碳纳米管网格通道。由于存在褶皱的氧化铝介电层,在超过一千次20%幅度的拉伸-舒张循环下,没有漏极电流变化,显示出了很好的可持续性。

  柔性可穿戴电子传感器常用的碳材料有碳纳米管和石墨烯等。碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制,比表面利用率可达100%的特点。

  典型的场效应晶体管是由源极、漏极、栅极、介电层和半导体层五部分构成。根据多数载流子的类型可以分为p型(空穴)场效应晶体管和n型(电子)场效应晶体管。

  3、柔性湿度传感器

  1、柔性传感器的特点

  通常晶体管参数有载流子迁移率、运行电压和开/关电流比等。与无机半导体结构相比,有机场效应晶体管(OFET)具有柔性高和制备成本低的优点,但也有载流子迁移率低和操作电压大的缺点。

  2、金属材料

  湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化 、智能化 、多参数检测的方向迅速发展,传统的干湿球湿度计或毛发湿度计已无法满足现代科发展的需要 。柔性湿 度传感器以低成本 、低能耗 、易于制造和易集成到智能系统制造等优点已被广泛研究。制作该类柔性湿度传感器的基底材料与其他柔性传感器类似,制造湿度敏感膜的方法也有很多,包括浸涂 、旋转涂料 、丝网印刷和喷墨印刷等。

  金属材料一般为金银铜等导体材料,主要用于电极和导线。 对于现代印刷工艺而言,导电材料多选用导电纳米油墨,包括纳米颗粒和纳米线等。金属的纳米粒子除了具有良好的导电性外,还可以烧结成薄膜或导线。

  石墨烯具有轻薄透明,导电导热性好等特点。在传感技术、移动通讯、信息技术和电动汽车等方面具有极其重要和广阔的应用前景。

  常见柔性传感器

  而柔性传感器则是指采用柔性材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠,而且结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对复杂被测量进行检测。新型柔性传感器在电子皮肤 、医疗保健 、电子、电工 、运动器材 、纺织品 、航天航空 、环境监测等领域受到广泛应用。

  以ZnO和ZnS为代表的无机半导体材料由于其出色的压电特性,在可穿戴柔性电子传感器领域显示出了广阔的应用前景。

  1、柔性基底

  柔性气体传感器在电极表面布置对气体敏感的薄膜材料,其基底是柔性的,具备轻便 、柔韧易弯曲,可大面积制作等特点,薄膜材料也具备更高的敏感性和 相对简便的制作工艺而备受关注。这很好地满足了特殊环境下气体传感器的便携 、低功耗等需求,打破了以往气体传感器不易携带、测量范围不全面 、量程 小 、成本高等不利因素,可对N H 、N O 、乙醇气体进行简单精确的检测,从而引起了人们的广泛关注 。

  2、柔性压力传感器

  4、有机材料

  1、柔性气体传感器

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  3、无机半导体材料

  为了满足柔性电子器件的要求,轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质成为了柔性基底的关键指标。

  在碳纳米管的应用上,利用多臂碳纳米管和银复合并通过印刷方式得到的导电聚合物传感器,在140%的拉伸下,导电性仍然高达20Scm1。

  柔性材料是与刚性材料相对应的概念,一般,柔性材料具有柔软 、低模量 、易变形等属性 。常见的柔性材料有:聚乙烯醇( P V A ) 、聚酯 ( P E T ) 、聚酰亚 胺 ( P I ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( P E N ) 、纸片 、纺织材料等 。

  薄膜柔性压力传感器

  湿度传感器主要有电阻式 、电容式两大类。湿敏电阻器特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸汽吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容器一般是用高分子薄膜制成,常用的高分子材料有聚苯乙烯 、聚酰亚胺 、酪酸醋酸纤维等 。

  柔性传感器的常用材料

  一种基于直接将机械能转换为光学信号的柔性压力传感器被开发出来。这种矩阵利用了Zn S:Mn 颗粒的力致发光性质。力致发光的核心是压电效应引发的光子发射。压电 Zn S 的电子能带在压力作用下产生压伏效应而产生倾斜,这样可以促进Mn2+的激发,接下来的去激发过程发射出黄光(580nm左右)。

  由于晶体管完美的信号转换和放大性能,晶体管的使用为减少信号串扰提供了可能。因此,在可穿戴传感器和人工智能领域的很多研究都是围绕如何获得大规模柔性压敏晶体管展开的。

  柔性压力传感器在智能服装、智能运动、机器人 “ 皮肤 ” 等方面有广泛运用 。聚偏氟乙烯 、硅橡胶 、聚酰亚胺等作为其基底材料已广泛用于柔性压力传感 器的制作,它们有别于采用金属应变计的测力传感器和采用n 型半导体芯片的扩散型普通压力传感器,具有较好的柔韧性 、导电性及压阻特性。

  目前,许多智能化的检测设备已经大量地采用了各种各样的传感器,其应用早已渗透到诸如工业生产、海洋探测 、环境保护 、医学诊断 、生物工程 、宇宙 开发 、智能家居等方方面面。 随着信息时代的应用需求越来越高,对被测量信息的范围、 精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。针对特殊环境与特殊信号下气体 、压力 、湿 度的测量需求,对普通传感器提出了新的挑战

  按照用途分类,柔性传感器包括柔性压力传感器 、柔性气体传感器 、柔性湿度传感器 、柔性温度传感器 、柔性 应变传感器 、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等;按照感知机理分类,柔性传感器包括柔性电阻式传感器 、柔性电容式传感器 、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等 。

  大规模压力传感器阵列对未来可穿戴传感器的发展非常重要。基于压阻和电容信号机制的压力传感器存在信号串扰,导致了测量的不准确,这个问题成为发展可穿戴传感器最大的挑战之一。

  2、柔性传感器的分类

  柔性传感器的特点与分类

  传统上用于场效应晶体管研究的p型聚合物材料主要是噻吩类聚合物,其中最为成功的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)体系。萘四酰亚二胺(NDI)和苝四酰亚二胺(PDI)显示了良好的n型场效应性能,是研究最为广泛的n型半导体材料,被广泛应用于小分子n型场效应晶体管当中。

  在众多柔性基底的选择中,聚二甲基硅氧烷(PDMS)成为了人们的首选。它的优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等。尤其在紫外光下粘附区和非粘附区分明的特性使其表面可以很容易的粘附电子材料。很多柔性电子设备通过降低基底的厚度来获得显著的弯曲性;然而,这种方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下,可拉伸的电子设备可以完全粘附在复杂和凹凸不平的表面上。目前,通常有两种策略来实现可穿戴传感器的拉伸性。第一种方法是在柔性基底上直接键合低杨氏模量的薄导电材料。第二种方法是使用本身可拉伸的导体组装器件。通常是由导电物质混合到弹性基体中制备。

  柔性传感器种类较多,分类方式也多样化 。

  面对越来越多的特殊信号和特殊环境,新型传感器技术已向以下趋势发展:开发新材料 、新工艺和开发新型传感器;实现传感器的集成化和智能化;实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化;与其它学科的交叉整合的传感器。同时 , 希望传感器还能够具有透明、柔韧 、延展 、可自由弯曲甚至折叠 、便于携带、可穿戴等特点 。随着柔性基质材料的发展,满足上述各类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运而生 。

  柔性传感器结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量,解决了传感器的小型化 、集成 化 、智能化发展问题,这些新型柔性传感器在电子皮肤 、生物医药、可穿戴电子产品和航空航天中有重要作用 。但目前对于碳纳米管和石墨烯等用于柔性传感器的材料制备技术工艺水平还不成熟,也存在成本 、适用范 围 、使用寿命 等问题。常用柔性基底存在不耐高温的缺点,导致柔性基底与薄膜材料间应力 大 、粘附力弱。柔性传感器的组装 、排列 、集成和封装技术也还有待进 一步提高 。

  5、碳材料

  一种快速响应(响应时间小于10ms)的传感器就是由这种力致发光转换过程所得到,通过自上而下的光刻工艺,其空间分辨率可达 100μm。这种传感器可以记录单点滑移的动态压力,其可以用于辨别签名者笔迹和通过实时获得发射强度曲线来扫描二维平面压力分布。 所有的这些特点使得无机半导体材料成为未来快速响应和高分辨压力传感器材料领域最有潜力的候选者之一。

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  Kim 希望,远程外延技术现在可利用之前被认为是特殊的一系列半导体材料,制造出超薄的柔性膜,只要这些特殊材料是由具有一定程度极性的原子组成。这种超薄膜有望通过相互层叠,制造出微小、柔性、多功能的设备,例如可穿戴传感器、柔性太阳能电池,甚至在遥远的未来,“手机将可以贴到皮肤上。”

  创新

  他们发现,当将石墨烯堆叠在纯净、昂贵的半导体晶圆材料例如砷化镓上,然后让镓原子和砷原子从石墨烯堆上流过,这些原子似乎通过某种方式与下面原子层进行交互,似乎中间的石墨烯是不可见的或者透明的。结果,这些原子集合到下方半导体晶圆的精密的单晶图案中,形成了一个精确的“副本”,然后可以轻易地从石墨烯层上剥落下来。

  Kim 表示:“在智慧城市中,我们想要让小型计算机变得无处不在,但是这需要通过更好的材料制成低功耗、高灵敏度的计算与感知设备。这项研究将为通往这些设备开辟道路。”

  Kim 表示:“人们主要采用硅晶圆,是因为它们廉价。现在,我们的方案打开了一条途径,采用了表现更好的非硅材料。你可以仅购买了一个昂贵的晶圆,并一次又一次地复制它,不断地重用晶圆。现在,这项技术的材料库是完全可扩展的。”

  2017年,Kim 及其同事们采用石墨烯(由原子薄度的碳原子薄片组成的二维蜂窝状结构),设计出一种制造这种昂贵的半导体材料的“副本”的方案。笔者之前介绍过这一方案,相关文章标题为:《晶圆之母?石墨烯"复制机器",降低晶圆制造成本!》。

  参考资料

  Kim 表示:“它给了我们一个提示。”

  研究人员称,这项技术提供了一种低成本方案,能制造出由任何半导体元素组合而成的柔性电子器件,比现有硅基设备的性能更佳。

  技术

  机械工程、材料科学与工程系副教授 Jeehwan Kim 表示:“我们已经开辟了一条通过许多其他不同材料系统(并不是硅)制造柔性电子设备的途径。” Kim 希望这项技术未来可用于制造低成本、高性能的设备,例如柔性太阳能电池、可穿戴计算机与传感器。

  价值

  团队认为:也许只有原子具有一些离子电荷时,才能透过石墨烯进行相互作用。例如,在砷化镓例子中,在界面上,镓具有负电荷,而砷具有正电荷。这种电荷或极性的差异,将帮助原子透过石墨烯进行相互作用,如同石墨烯透明一般,从而去复制底层的图案。

  然而,六方氮化硼是由电性相反的硼和氮原子组成,会在材料本身内生成一种极性。在他们的实验中,研究人员发现,任何流过六方氮化硼的原子,即使它们本身是具有高度极性的,也不能与它们下层的晶圆完全交互。这也表明,感兴趣的原子和中间材料的极性,都决定了原子是否会进行相互作用,从而形成原始半导体晶圆的副本。

  近日,美国麻省理工学院的工程师们开发出一种新技术,采用一批特殊的材料,取代硅,制造出超薄的半导体薄膜。这项技术提供了一种低成本方案,能制造出由任何半导体元素组合而成的柔性电子器件,比现有硅基设备的性能更佳。

  在报告了首个成果之后,团队在考虑他们的技术是否可用于复制其他的半导体材料。他们尝试将远程外延技术应用到硅和锗,两种廉价的半导体材料,但是却发现他们让这些原子从石墨烯上流过时,它们无法与它们各自的下层进行交互。比方说,石墨烯之前是透明的,突然变得不透明,阻挡硅原子和锗原子“看到”另外一端的原子。

  他说,通过这一新认知,研究人员现在可以简单地查看元素周期表,选择电荷相反的两个元素。一旦他们通过同样的元素,获取或者制造出主要的晶圆,然后就可以采用团队的远程外延技术制造原始晶圆的多层精准副本。

  【1】http://news.mit.edu/2018/study-flexible-electronics-made-exotic-materials-1008

  经过镜面精加工的硅晶圆(图片来源:维基百科)

  背景

  近日,美国麻省理工学院的工程师们开发出一种新技术,采用一批特殊的材料,取代硅,制造出超薄的半导体薄膜。为了演示他们研发的技术,研究人员制造出了由砷化镓、氮化镓和氟化锂材料组成的柔性薄膜,这些材料的性能比硅更好,但是迄今为止,用这些材料制造功能设备,昂贵到让人望而却步的程度。

  (图片来源于: Jose-Luis Olivares/MIT)

  Kim 表示:“我们发现,透过石墨烯的相互作用却决于原子的极性。对于最强离子键的材料,他们甚至可透过三层石墨烯进行相互作用,类似于两个磁体相互吸引的方式,这种吸引甚至可以透过一薄层的纸。”

  团队发现,原子透过哪种材料进行相互作用也很重要。除了石墨烯,他们实验了六方氮化硼(hBN)中间层,一种类似于石墨烯原子图案的材料,并具有类似特氟龙的品质,在复制时,堆叠在其上方的材料可以被很容易地剥离。

  (图片来源:Wei Kong 和 Kuan Qiao)

  硅与锗,碰巧是元素周期表中同一主族的两种元素。特别的地方是,两种元素属于第四主簇,此类材料是离子中性的,意味着他们没有极性。

  半导体、石墨烯、柔性电子

  他们发现,极化的程度越深,原子的相互作用就越强,甚至在一些案例中,可以透过多层石墨烯片。他们能生产的每种薄膜都是柔性的,厚度差不多仅为几十纳米到几百纳米。

  如今,绝大多数的计算设备都是由硅制成。硅是地球上含量第二丰富的元素,仅次于氧。硅以各种形式存在于岩石、粘土、沙砾和土壤中。虽然它并不是地球上最佳的半导体材料,但却是最容易获取的。因此,在传感器、太阳能电池、以及计算机与智能手机中的集成电路等大多数电子设备中,硅是占主导地位的材料。

  为了测试了他们的假设,研究人员们采用远程外延法,复制具有不同极性的半导体材料,从中性硅和锗,再到轻微极化的砷化镓,最后是高度极化的氟化锂(一种比硅更好、更昂贵的半导体)。

  【2】Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Yifan Nie, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard J Molnar, D. Kurt Gaskill, Rachael L. Myers-Ward, Kevin M. Daniels, Yuewei Zhang, Suresh Sundram, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Siddharth Rajan, Yang Shao-Horn, Kyeongjae Cho, Abdallah Ougazzaden, Jeffrey C. Grossman, Jeehwan Kim. Polarity governs atomic interaction through two-dimensional materials. Nature Materials, 2018; DOI: 10.1038/s41563-018-0176-4

  关键字

  Kim 表示:“现在,我们真正地理解到原子透过石墨烯进行相互作用的规则。

  10月8日,这项新技术的细节报道在《自然材料(Nature Materials)》期刊上。这项研究得到了美国国防高级研究计划局、能源部、空军研究实验室、LG电子、爱茉莉太平洋集团、泛林集团以及ADI公司的部分支持。

  导读

  他们称这项技术为“远程外延”,它提供了一种制造砷化镓多层膜的低成本方案,只使用了一片昂贵的下层晶圆。

  (图片来源:加州大学圣地亚哥分校)

  (图片来源:KAIST)

  价值

  导读

  (图片来源:Graphene Flagship)

  (图片来源:日本东北大学)

  【2】https://ieeexplore.ieee.org/document/8306513/

  之前,笔者曾介绍过许多柔性电子产品,例如:柔性电池、柔性液晶屏、柔性可穿戴传感器、柔性的有机闪存、柔性超级电容、柔性微处理器、柔性触控传感器、柔性天线、柔性电子纸张等等。为了让大家有一个更直观的认识,下面通过图片进行展示:

  但是,目前大部分的TFT是硅基的。相比于中英两国科研团队开发的氧化物半导体晶体管来说,它们不透明、刚硬且昂贵。氧化物TFT不仅可以改善LCD显示器的图像显示效果,而且让人印象更深刻的是柔性。

  (图片来源:佛罗里达州立大学)

  未来

  近日,中国山东大学与英国曼彻斯特大学的研究人员在柔性电子领域取得一项重要进展,他们开发出超高速的新型柔性纳米晶体管。它由氧化物半导体制成,能以1GHz 的基准速度运行。

  此外,氧化物半导体TFT还将在智能家居、智慧医院和智慧城市等领域扮演重要角色。这项研究将带来比之前更快、更亮、更柔性的新一代电子产品。

  曼彻斯特大学电气与电子工程学院纳米电子专业教授 Aimin Song 解释道:“现在电视已经能够做到极度的薄和亮。而我们的研究将使得电视更具机械柔性且更易制造。”

  半导体、晶体管、可穿戴技术

  近日,在柔性电子领域又出现一项重要研究进展。中国山东大学( Shandong University)与英国曼彻斯特大学(University of Manchester )的研究人员合作开发出一种新型超高速的柔性纳米晶体管,也称为“薄膜晶体管”(TFT)。它由氧化物半导体制成,能以1GHz 的基准速度运行。

  参考资料

  “制造一个类似我们的GHz IGZO 晶体管的高性能设备极具挑战性,因为不仅材料需要优化,还有设备设计、制造和测试方面的一系列问题有待解决。2015年,我们采用氧化物半导体演示了最快速的柔性二极管,达到6.4GHz,它目前仍然保持着世界记录。所以我们对基于氧化物半导体的技术充满信心。”

  【1】http://www.manchester.ac.uk/discover/news/flexible-tvs-and-high-performance-wearable-smart-tech-one-step-closer/

  TFT 是一种通常应用于液晶显示屏(LCD)中的晶体管。具有LCD显示屏的大多数现代电子设备,例如智能手机、平板电脑和高清电视,都具有TFT。

  Song 教授称,这种GHz晶体管将带来中等或者更高性能的柔性电子电路,例如真正的可穿戴电子产品。可穿戴电子产品需要柔性,并且很多情况下还需要透明。所以,它将是这项研究的一个完美的应用领域。

  (图片来源: Mats Tiborn)

  目前,一些基于氧化物的技术已经开始在某些产品中替代非晶硅。Song 教授认为,这些最新的开发会进一步推进它们的商业化。

  创新

  (图片来源: 维基百科)

  背景

  技术

  他补充道:“为了促进这些基于氧化物的电子产品进一步商业化,还需要在材料、光刻、设备设计和测试方面进行一系列研发,最后但并非最不重要的是,大面积制造技术。硅技术发展到这一步经历了几十年,而氧化物技术正以更快的速度发展。”

  (图片来源:曼彻斯特大学)

  相比于日益遭遇一些基本瓶颈的硅技术来说,基于氧化物的技术正高速发展。Song 教授表示,近些年来,氧化物半导体领域的进展迅猛,一系列研究都旨在改善基于氧化物半导体的TFT。

  (图片来源:英属哥伦比亚大学)

  传统电子产品,往往会给我们一种“僵硬”的印象,它们无法经受弯曲、扭曲和拉伸。然而,新兴的柔性电子产品却弥补了传统电子产品的这些不足。特别是对于可穿戴设备来说,柔性电子技术的发展大大改善了用户的佩戴体验,更加适应人体的自由运动。

  TFT是如何工作的呢?LCD的每个像素点背后都会有一个TFT,它们就像单独的开关一样迅速改变像素状态,使得打开和关闭它们变得更加快速。

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