搜索
中国科学:物理学力学天文学2016年第46卷第4期:044607SCIENTIASINICAPhysica,Mechanica&Astronomicaphys.scichina.com引用格式:黄银,李海成,陈颖,等.可延展柔性光子/电子集成器件及转印技术.中国科学:物理学力学天文学,2016,46:044607HuangY,LiHC,ChenY,etal.Stretchableandflexiblephotonics/electronicsdevicesandtransferprinting(inChinese).SciSin-PhysMechAstron,2016,46:044607,doi:10.1360/SSPMA2016-00004©2016《中国科学》杂志社《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS评述可延展柔性光子/电子集成器件专辑可延展柔性光子/电子集成器件及转印技术黄银①②,李海成①②,陈颖①②,蔡世生①②,张迎超①②,陆炳卫①②,冯雪①②*①清华大学航天航空学院,应用力学教育部重点实验室,北京100084;②清华大学先进力学与材料中心,北京100084*联系人,E-mail:fengxue@tsinghua.edu.cn收稿日期:2016-01-04;接受日期:2016-01-25;网络出版日期:2016-02-25国家重点基础研究发展计划(编号:2015CB351900),国家自然科学基金(批准号:11222220,11320101001,11502128)和清华大学自主科研项目资助摘要基于无机半导体材料的光子/电子集成器件,是现代信息系统的重要组成部分和基础支撑.人与信息的交互融合是信息技术的主要发展方向,这种新的信息交互手段对电子集成器件提出了可延展柔性化的需求,以实现物理世界、信息数据和人类社会资源的综合利用.可延展柔性化的集成器件,可突破传统刚性无机集成器件不可变形、无法与人体曲面环境集成的瓶颈,极大拓展了传统半导体器件的物理形态及应用范围,也必将在健康医疗、脑机融合、物联网等领域产生巨大影响.本文对可延展柔性光子/电子集成器件的基本原理和设计方法进行了详细介绍,并以大脑、心脏和皮肤可集成的可延展柔性无机电子集成器件为例展示了其在生物医疗方面的应用价值,然后介绍了可延展柔性光子/电子集成器件的转印制备技术,最后展望了其未来发展方向.关键词可延展柔性,光子/电子集成器件,转印PACS:62.50.+p,47.40.–x,43.40.Jc1引言基于无机半导体材料的光/电子集成器件具有性能好,可靠性高等优点,在推动信息技术的发展中起着关键性作用,是现代信息系统的重要组成部分.随着光/电子技术的不断发展,人们对下一代光/电子产品提出了新的需求,例如日常光/电子的便携性,面向医疗健康光/电子的可穿戴性和可植入性等.然而,传统刚性的无机集成器件具有硬脆的特点,难以承受大变形,不适合与人体等柔软,非平面组织进行集成.因此,突破传统刚性电子的新型电子产品,即柔性电子逐渐成为了人们关注的焦点[1–3].在新的需求和经济利益的驱动下,国内外对柔性电子的研究热情日益增长,目前已有众多研究机构和大型公司对柔性电子进行研究[4–7].例如,美国国防预研局(DARPA)与航天局(NASA)制定了庞大的柔性电子技术研究计划;美国国立卫生研究院(NIH)与国立卫生基金会(NSF)推动了针对健康管理及柔性器件生物集黄银等.中国科学:物理学力学天文学2016年第46卷第4期044607-2成方面的研究;著名大学Harvard,Princeton,UIUC,UCLA等和顶级国家实验室Argonne进行了大量相关研究;在工业界,IBM,Intel,飞利浦,爱普生,三星,索尼等竞相投入研究,期待在电子产品的革命性发展过程中取得领先地位[1].考虑到有机电子器件在电子学性能方面的局限性,科学家们另辟蹊径,将基于传统无机半导体材料的功能元件与柔性衬底集成,形成了柔性无机电子[5,8].所谓的柔性无机电子并非取代目前的半导体技术,而是以柔性衬底(如Kapton,PET或PDMS等高分子聚合物)取代传统的刚性衬底,为实现电子产品的柔性和可延展性奠定基础.柔性无机电子不仅继承了传统电子产品良好的电子学特性,而且实现了柔韧性,迅速成为了未来电子产品发展的重要方向.将无机半导体材料应用到柔性电子技术中,昀大的挑战就是避免无机半导体在承受拉伸、弯曲的过程中发生脆性断裂.针对这一问题,2006年,美国伊利诺伊大学的Rogers教授和西北大学的黄永刚教授课题组率先提出了可延展柔性无机电子(Stretchableandflexibleelectronics)的概念[5].其研究发现,将硅薄膜转移到受预拉伸应变的PDMS衬底上,释放掉PDMS基体预拉伸应变的过程中,硅薄膜受到压缩应变并形成非常规则的波浪形貌,如图1(a)所示.具有波浪形貌的硅薄膜可以通过调整离面位移来适应面内的拉伸变形,使得柔性无机电子在长度方向的拉伸能力得到很大提高.这种通过力学设计提高无机半导体材料拉伸能力的思路,为柔性无机电子的发展迈出了非常重要的一步.一维无机可延展柔性电子被提出后,又衍生出了很多更优的结构设计,使得电子器件的机械性能更加优良,可以承受拉伸、扭转、弯曲等复杂变形.Kim等人[2]对形式多样的无机柔性电子的设计原理及其应用做了全面的介绍,例如对软基体施加两个相互垂直方向上的预拉伸应变可以制备出二维可延展的人字形硅薄膜[2,9],对PDMS表面进行化学处理后可以制备出波长可控的一维可延展薄膜[10].Huang等人[11]提出了一种基于柔性基体表面微结构控制薄膜失稳的方法,发现可以通过在柔性基体上制备出不同尺寸和间距的长方形凸台来调控硅薄膜的屈曲模式和形貌,该结论对无机柔性电子器件的结构设计优化有着很好的指导意义.更为重要的是,柔性基体表面微结构可以通过自身形变来适应外加拉伸应变,缓解半导体薄膜的轴向变形,提高无机柔性电子器件的拉伸性能.这种一维或者二维波浪形貌的无机半导体材料很大程度上提高了柔性电子器件的拉伸能力,但是也有一个很明显的缺陷,即无机半导体材料的电子学性能与所承受的外加载荷是直接相关的,外加载荷较大时器件的电子学性能会受到显著影响[12].为了突破这一局限,研究者又设计出了基于“岛桥结构”的可延展柔性无机电子[13,14],如图1(b)所示.所谓的“岛桥结构”是指将器件的功能部分集成在平直构型的岛上,而互连线仍然基于失稳原理设计成拱桥形状.施加外载荷时,桥状互连线承受了几乎所有的变形,而岛上的功能组件基本不发生变形,因此外加载荷的大小对器件的电子学性能影响很小.基于“岛桥结构”的柔性电子器件不仅可以承受拉伸、弯曲和扭转等复杂变形,还可以集成到各种曲面结构上.上述“岛桥结构”的缺点是桥状互连线受载前就存在弯曲应变,而该弯曲应变会在一定程度上限制器件的承载能力.为了进一步优化“岛桥结构”模型,研究者提出将互连线设计成“蜿蜒桥结构”[14],如图1(c)所示.“蜿蜒桥结构”的互连线相对于桥状互连线长度方向的尺寸更大,并且兼具波浪形貌和蜿蜒形貌的优点,因而能承受比基体预应变更大的变形.近来,研究者又提出了自相似的蜿蜒桥结构(图1(d)),例如可延展柔性锂离子电池采用自相似蜿蜒桥结构实现了高达300%的延展率[15].Zhang等人[16]从理论上对自相似蜿蜒桥互连线的柔韧性和延展性进行了力学分析,发现自相似结构每增加一级,其延展率至少可以提高两倍.从可延展柔性无机电子结构设计的优化历程可以看出,物理力学的设计在提高可延展柔性电子的电子学性能方面扮演着非常重要的角色.集成器件制备过程中关键环节之一是无机薄膜的外延生长,微纳米加工过程需进行高精度光刻对准且可能承受物理、化学等腐蚀,然而高分子柔性衬底不具备这些制备和加工条件.因此,无机薄膜无法直接在柔性衬底上进行生长和加工[17].基于此,研究者发展转印(Transferprinting)技术实现可延展柔性无机电子的制备.所谓柔性可延展无机电子的转印是指通过柔性图章将无机半导体衬底上的功能单元转移到柔性衬底上.转印过程涉及到不同材料界面的黏附调控,目前主流的转印方法包括基于率相关的转印方法[18,19]、基于微结构的转印方法[20]、基于载荷黄银等.中国科学:物理学力学天文学2016年第46卷第4期044607-3图1(网络版彩图)可延展柔性无机电子的结构设计.(a)波浪结构[5];(b)岛桥结构[14];(c)非共面蜿蜒桥结构[14];(d)自相似蜿蜒桥结构[15]Figure1(Coloronline)Configurationdesignofflexibleandstretch-ableelsctronics.(a)Wary[5];(b)island-bridge[14];(c)non-conplanarserpentine[14];(d)self-similarserpentine[15].的转印方法[21,22]、基于激光的转印方法[23]和基于形状记忆聚合物(Shapememorypolymer,简称SMP)的转印方法[24,25],并有大量的研究工作关注界面黏附、表面图案和剥离速度等因素对转印效率的影响[26–28].本文重点针对可延展柔性无机光子/电子器件,综述了基本原理、设计制备和转印技术的研究进展,并展望了未来的应用发展方向.2可延展柔性电子集成器件通过优化的结构和中性层等力学设计后,高性能的无机半导体材料在整体性能上实现了柔性甚至可延展性.其中,金属氧化物半导体场效应晶体管(Metaloxidesemiconductorfield-effecttransistors,MOSFERs)是通过力学优化后得到的昀为典型的一类电子元件[29].N型和P型的MOSFERs通过连接后形成电路,例如互补金属氧化物半导体(Complem-entarymetaloxidesemiconductor,简称CMOS)逆变器,对CMOS回路进行不同的布局可以得到丰富的功能.图2(a)所示的CMOS回路结合了中性轴和波浪结构的优点,由于其振幅远远小于波长,CMOS回路在发生折叠后,扭转和弯曲过程中仍然保持很小的应变,使得其电子学性能基本不受影响[12].CMOS回路也可采用更为优化的非共面网格设计,如岛桥结构(图2(b))和蜿蜒结构[14].非共面的网格设计具有非图2(网络版彩图)可延展柔性CMOS回路.(a)波浪结构[12];(b)岛桥结构[14];(c)CMOS回路集成到乙烯手套和皮革上[30]Figure2(Coloronline)FlexibleandstretchableCMOScircuits.(a)Inwaryconfiguration[12];(b)inisland-bridgeconfiguration[14];(c)opticalimagesofCMOScircuitsonfingerjointsofvinylandleather[30].常好的抗拉伸能力,能够承受的拉伸变形达到140%.结合非共面网格设计和低模量的应变隔离层封装,CMOS回路可以集成到多种基体上,例如皮革、布料和乙烯手套等(图2(c))[30].2.1生物集成的可延展柔性无机电子器件通过转印技术集成的可延展柔性无机电子在与生物体进行集成时具有得天独厚的优势:(1)可延展柔性无机电子能够适应人体及其组织柔软、非可展曲面等体征,实现器件与人体的紧密贴合而不影响日常活动;(2)可延展柔性无机电子器件继承了传统电子器件的优良性能和高可靠性,能够适应微弱的生命体征信号,实现高效、实时动态地感知、处理和无线传输生理信息等功能.下面分别以大脑和心脏集成的可延展柔性无机电子为例进行介绍.一般来讲,电极越多,探测到的大脑活动和疾病状态越精确,但同时也会增加电极间的接触线,使其实际应用受到限制.多路复用电路大大减少了电极之间的接触线,提高了电极的数量,但作为传统的电子器件不能与大脑组织匹配良好[31]