Mater. Today Phys.综述: 多层柔性电子器件—制备方法与应用

2022-07-19 03:07

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柔性电子器件在生物医学、能源设备、机器人和虚拟/增强现实等领域发挥着重要作用，然而在集成度、空间分辨率、传感方式上仍有改进空间。多层柔性电子器件可以用垂直空间的概念解决上述问题。

北京大学韩梦迪课题组在Materials Today Physics上发表了题为“Multilayer flexible electronics: Manufacturing approaches and applications” 的综述文章，总结了多层柔性电子器件的制作工艺与应用。该文章通讯作者为韩梦迪研究员，第一作者为北京大学工学院本科生王毅然。

图1 多层柔性电子器件的加工和应用

典型的多层柔性电子器件的加工工艺包括逐层直接构建，转移印刷，添加垂直互联(图2)。逐层构建可以在柔性基板上实现紧密的层间连接；转移印刷能够实现高性能材料的垂直集成，并允许实现可调、可分离的三维结构；不同层之间的垂直互联可以拓展多层柔性电子设备的性能，先进的垂直互联技术可以保证多层电子器件的柔性。

图2 多层柔性电子器件的典型制造方法

多层柔性电子在光电领域中的应用主要体现在发光二极管LED上。将有机发光二极管OLED的垂直方向上集成多个发光层，可以实现颜色可调的OLED。单色微型LED在垂直空间上的串联，允许LED的空间密度达到进一步提升。将光电器件和可穿戴传感器集成，能够实现检测数据的直观显示(图3)。

图3 用于光电领域的多层柔性电子器件

在机器人领域，多层柔性电子允许电子皮肤具备多层结构，实现类似于人类皮肤的功能(图4)。多层结构可以模仿人类皮肤的表皮层、真皮层、皮下组织，实现力、温度等指标的检测。此外，对于可拉伸的电子器件，多层设计能够实现垂直方向的高密度集成，如包含七种功能的传感器矩阵网络。整体的柔性也允许设备和生物组织表面适形贴合，可实现多模检测的机械手控制。

图4 用于机器人领域的多层柔性电子器件

多层柔性电子为生物医学领域中诊断和治疗提供了更多可能(图5)。集成在微创手术导管上的多层柔性电子阵列的不同层能够实现温度检测、压力检测和射频消融治疗，减少了所需导管的数量。一种多层的可降解药物输送装置将无线感应单元、加热单元、药物输送单元置于不同层，通过手术植入后能够实现可控药物输送。另一种体外的药物输送装置，集成了压力传感、温度传感和药物泵，能够检测伤口部位的生理信号，按需释放药物。多层柔性电子也允许实现持续的生理信号监测，并通过多层结构实现个性化、可定制的诊断。

图5 用于生物医学工程的多层柔性电子器件

多层柔性器件能够实现更高效的能量收集，以及“一体式”的自供电系统(图6)。垂直堆叠多个摩擦纳米发电机，可以在不增加横向尺寸的情况下进一步提高功率。也可以将不同种类的纳米发电机集成，适用于更多的场景。多层堆叠也允许发电设备与储能设备集成，如将纳米发电机和电容集成。能量收集设备和传感器的垂直集成，能够实现自供能的“一体式”系统。