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柔性电子最新技术来袭,其拥有改变未来的能力吗?

发布时间:2020-10-27 访问次数:267次 来源:材料人 分享:

当前,柔性技术被视为下一代智能硬件的主流交互形态之一,柔性电子产业也正以指数级的规模快速增长。在全球新兴的柔性电子产业当中,柔性技术不仅仅只是显示技术的一次突破和显示屏相关产品的革新,柔性技术更应该被视作面向AIoT万物智能互联时代的全新人机交互方式。

柔性电子技术被赋予了很多能力,新技术不断被突破,成为近几年研究的热门领域。下面分享几篇最近的技术动态,探索其是否拥有改变未来生活的能力。

Nano Energy基于疏水复合薄膜的高性能透明柔性摩擦电纳米发电机

现代便携式、可穿戴式电子设备对灵活性、透明度和轻量化提出了要求。摩擦纳米发电机以其优异的特性,作为独立电源的基本元件,引起了人们的广泛关注。在此,哈尔滨工业大学Gui-Gen Wang教授联合中科院纳米能源与纳米系统研究所Ya Yang研究员证明了一种简单有效的方法来修饰聚二甲基硅氧烷(PDMS),以提高TENG的输出电性能并优化其疏水性。4 cm2的TENG由PDMS-三氯硅烷(FDTS)摩擦层和铜纳米线(Cu NWs)/还原氧化石墨烯(RGO)电极组成,具有高输出电压和大的转移电荷量125 V和80 nC,相应的电气性能比原始的PDMS基TENG多数倍。即使在湿度高达60%的环境条件下,也能获得105.8V的电压。这是由于FDTS与PDMS反应,引入氟元素吸收更多电子,提高介电常数。此外,制备的TENG保持高的可见光透过率(70.1%),作为能源具有良好的灵活性,可以满足便携式、可穿戴式电子设备的需求。相关研究以“A high-performance transparent and flexible triboelectric nanogenerator based on hydrophobic composite films”为题目,发表在Nano Energy上。

DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104918

图1 制造TENG的原理图


ACS Appl. Mater. Interfaces:基于离子导电的木质纤维素纳米颗粒柔性电容式湿度传感器

随着电子产品可再生性和可持续性要求的不断提高,环境友好型纤维素基材料引起了广泛的研究兴趣,并在电子器件领域日益受到重视。湿度传感器在工业、农业、气候学、医疗服务和日常生活中起着至关重要的作用。在此,同济大学Shijie Hou、 Shu Jin、 Jia Huang教授等人首次制作了基于离子导电木质纤维素纳米颗粒(WCNs)的电容式湿度传感器。基于WCNs的湿度传感器具有极高的灵敏度、快速的响应速度、小的滞后,更重要的是相对湿度的工作范围宽。在20 Hz时,传感器显示在7%~94% RH范围内的感应信号增加了104倍,另外,可以实现湿度的细微差别并表现出优异的非接触式皮肤湿度传感性能。同时制作了柔性WCNs湿度传感器,具有良好的传感性能和长时间的稳定性,具有多种用途。这项工作为设计使用纳米颗粒的高性能湿度传感器提供了有效的指导,并为未来的各种应用开辟了一个新的领域。相关研究以“Flexible Capacitive Humidity Sensors Based on Ionic Conductive Wood-derived Cellulose Nanopapers”为题目,发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。

DOI: 10.1021/acsami.0c12868图2 湿度传感器多种响应曲线


AFM仿生学可拉伸,粘接,导电的结构色薄膜用于柔性电子产品

柔性电子设备的快速发展引起了人们对许多应用的极大兴趣,如健康监控设备、感觉皮肤和可植入设备。在这里,受贻贝的黏附特性和变色龙的色移机理的启发,南京大学Yuanjin Zhao教授等人提出了一种新颖的可拉伸、黏附、导电结构色薄膜用于柔性电子产品。通过将导电碳纳米管聚多巴胺(PDA) 加入到弹性聚氨酯(PU)反蛋白石支架中,产生了这种薄膜。由于其优异的灵活性和反蛋白石结构PU层,薄膜具有稳定的延展性和亮丽的结构色彩。此外,PDA上的邻苯二酚基团使薄膜具有较高的组织粘附性和自愈合能力。值得注意的是,由于其响应性,由此产生的薄膜具有响应运动的颜色变化能力,可以作为双信号人体运动传感器,用于实时的颜色传感和电信号监测。这些特点使仿生水凝胶为基础的电子器件在柔性电子领域极具潜力。相关研究以“Bio-Inspired Stretchable, Adhesive, and Conductive Structural Color Film for Visually Flexible Electronics”为题目,发表在AFM上。

DOI: 10.1002/adfm.202000151

图3 仿生可拉伸的导电结构色薄膜柔性电子原理图

AFM全无机离子聚合物型忆阻器用于高性能、灵活的人工突触

可穿戴透明忆阻器的实现引起了广泛的关注。然而,同时具有高柔性和环境稳定性的高性能忆阻器的开发一直是一个巨大的挑战。受聚磷酸铵(APP)独特的多离子特性启发,苏州大学贺竞辉、路建美教授等人开制备了一种具有良好柔韧性和稳定性的Au/APP/ITO忆阻器。突触行为可被宽度为20 ns、振幅为0.1 V的电压脉冲刺激,并可在104个脉冲周期内重复,因此优于其他几个基准的忆阻器。此外,该装置制备在导电硅酮上,即使在高压下也能保持突触性能360°弯曲。此外,该装置在60s的火烧和5.6 kGy离子照射后仍能维持突触行为。另外,通过与以往所有的有机物和无机物的比较,确定APP无毒、可生物降解、透明。本研究结果将启发更多无机聚合物在未来环境稳定柔性电子领域的应用。相关研究以“All-Inorganic Ionic Polymer-Based Memristor for High-Performance and Flexible Artifcial Synapse”为题目,发表在AFM上。

DOI: 10.1002/adfm.202004245

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