柔性电子最新技术来袭，其拥有改变未来的能力吗？

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。

NanoEnergy：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的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、医疗外围是什么意思 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

图4 神经突触与忆阻器件的结构

Advanced Science：氮掺杂泡沫碳包覆Co₃Fe₇纳米合金和Co_5.47N构建集成式无粘结剂空气正极用于柔性铝空气电池

全固态铝空气电池具有理论能量密度高、成本低和环保的特点，有望成为下一代灵活可穿戴电子产品的动力源。但由于空气阴极中氧还原反应缓慢和界面接触不良，导致其性能不理想。近日，上海交通大学孙宝德、付超鹏教授等人通过界面控制，构建了三维氮掺杂泡沫碳包覆Co₃Fe₇纳米合金和Co_5.47N（Co₃Fe₇@Co_5.47N/NCF）。作为碱性和中性柔性铝空气电池无粘结剂和集成式的空气正极，Co₃Fe₇@Co_5.47N/NCF表现出优异的氧还原性能，其在碱性电解液中的起始电势为1.02 V，在半波中的正半波电势为0.92 V（在氯化钠溶液中为0.59 V），这归因于Co₃Fe₇和Co_5.47N之间的独特界面结构；此外，三维氮掺杂碳泡沫结构可以促进电子和物质的快速传递。用这种材料组装的柔性铝空气电池具有199.6 mW cm^-2的功率密度，与传统浇铸空气正极相比，无粘结剂和集成式正极显示出更好的放电性能。相关成果以“Integrated and Binder-Free Air Cathodes of Co₃Fe₇Nanoalloy and Co_5.47N Encapsulated in Nitrogen-Doped Carbon Foam with Superior Oxygen Reduction Activity in Flexible Aluminum-Air Batteries”发表在Advanced Science上。

DOI: 10.1002/advs.202000747

图5 柔性铝空气电池性能

ACS Nano：多模式植物健康管理柔性传感器系统

全球人口的增加和环境压力的增加要求更高的植物生产力，同时利用先进的纳米电子技术来平衡生态系统。尽管多功能可穿戴设备在人类健康监测和疾病诊断中发挥了独特的作用，但由于其生物复杂性，探测植物潜在的生理健康问题是一个巨大的挑战。日本大阪府立大学Kuniharu Takei教授提出了一种基于多模态柔性传感器的植物生长管理系统，ZnIn₂S₄(ZIS)纳米片作为内核传感介质。基于ZIS的柔性传感器不仅能够以快速响应(约4 ms)的速度感知光线照射，而且能够以持久稳定的性能监测湿度，第一性原理的计算表明，隧道效应主导当前与湿度响应相关的模型。这一发现对通过测定植物蒸腾作用研究植物气孔功能具有指导意义。值得注意的是，脱水条件在监测期间(>15天)被目测记录。这项工作可能有助于植物-机械生物界面，以精确管理植物健康状况和明智地利用有限的资源。相关研究以“Multimodal Plant Healthcare Flexible Sensor System”为题目，发表在ACS Nano上。

DOI: 10.1021/acsnano.0c03757

图6 多模态柔性植物健康管理传感器

JMCA：基于纳米纤维素/磺化碳纳米管水凝胶膜的超韧、超灵敏柔性电子皮肤

随着人们对可穿戴传感器设备的兴趣和需求的增加，制造一种结合高强度和高灵敏度的柔性水凝胶膜传感器来监测人体生理信号是必要的，但仍具有挑战性。最近，武汉理工大学Zhuqun Shi、Chuanxi Xiong、Quanling Yang教授等人成功地利用2,2,6,6-四甲基哌啶基-1-氧基氧化纤维素纳米纤维(TOCNs)和磺化多壁碳纳米管(SCNTs)制备了柔性压阻电子皮肤(Eskin)。该柔性传感器具有极高的灵敏度，约4.4 kPa^-1，超快响应时间低于10 ms，超低检测限0.5Pa，良好的稳定性(>11 000循环)和机械强度高达184 MPa。同时，该压力传感器具有制备工艺简单、时间消耗低、成本低、生物相容性好等优点。随着智能终端设备的普及，柔性传感器在未来可穿戴电子设备、健康监测、运动监测、智能假肢、人工智能等领域有着广阔的应用前景。相关研究以“Supertough and ultrasensitive flexible electronic skin based on nanocellulose/sulfonated carbon nanotube hydrogel films”为题目，发表在JMCA上。

DOI: 10.1039/d0ta00158a

图7 传感器用于监测肌肉运动

Nature Commun.：具有超高的灵敏度和传感密度的基于量子效应的柔性透明压力传感器

尽管近年来高性能柔性压力传感器在生物医学和信息技术方面的应用广泛，但基于现有的传感机制制作高像素密度的超灵敏传感器仍然是一个巨大的挑战。在此，复旦大学Limin Wu教授等人基于Fowler-Nordheim隧道效应，通过旋转涂覆极低含量(小于1.5 wt.%)的空心碳球分散于聚二甲基硅氧烷中制备了具有超高的灵敏度和传感密度的压力传感器。该传感器在1pa的下具有260.3 kPa⁻¹的超高灵敏度，400 cm⁻²的高传感密度及高透明度和不受温度干扰。此外，它可以通过一种工业上可行的、可伸缩的旋转涂覆方法制造，为实现超高灵敏度柔性压力传感器在各种表面和体内环境上的大规模生产和应用提供了有效途径。相关研究以“Quantum effect-based flexible and transparent pressure sensors with ultrahigh sensitivity and sensing density”为题目，发表在Nature Commun.上。

DOI: 10.1038/s41467-020-17298-y

图8 薄膜传感器的制备与表征

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