研究与评论:工程与技术雷竞技苹果下载杂志
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ISSN: 2319 - 9873
+44 7456 035580Maulana Abul Kalam Azad理工大学电子与通信工程系，印度西孟加拉邦加尔各答
收到日期:06/04/2019;接受日期:13/05/2019;发表日期:20/05/2019
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几十年来，柔性和可拉伸电子器件一直是科学家和工业制造商感兴趣的课题。正在进行的研究正试图通过技术验证和分析来证明这一点是可行的。这些应该适合生产。从金属和半导体衬底开始，人们的兴趣现在转向了有机聚合物和石墨烯。然而，问题仍然存在。这篇综述文章讨论了不同材料的特性和在不久的将来可以制造可拉伸器件的可能工艺。
可拉伸电子产品，石墨烯，聚合物，印刷电池，模板印刷
柔性电子学基本上是在合适的衬底上设计电子电路。弹性要求薄膜，因为应变与薄膜厚度成正比，与弯曲半径成反比。
可拉伸性被定义为材料开始与弹性力成比例变形的值。这些材料应该能够承受>> 1%的扩展。因此，可拉伸电子材料应具有高导电性、良好的热稳定性和机械稳定性、低的水蒸气和氧气孔隙率。对于制造，器件应该能够承受高工艺温度，通过在高温下的低重量损失来衡量。对于医疗应用，所使用的材料也应具有生物相容性。
这些材料被认为具有广泛的应用，从传感器、显示器、可穿戴电子产品和可折叠设备到工程用途。
不锈钢在非晶硅太阳能电池中使用了很长一段时间。它具有耐高温的特性，但本身非常稳定。1］．
玻璃是另一种目前在LED、LCD等制造中非常常见的材料。薄膜厚度为30 μm，透光率为>90%。但是，由于它的脆弱性，它的制造有点困难，但比不锈钢更容易处理[1］．近年来，以聚4-苯乙烯磺酸盐(Poly 4-styrene- sulate, PSS)为原料合成了聚3,4-乙基二氧噻吩(PEDOT)等有机物质，得到PSS: PEDOT。这些物质通常涂有对二甲苯(对二甲苯)，用于医疗植入物和其他应用。另一种自2006年发现以来引起人们极大兴趣的材料是石墨烯，它被认为是硅的替代品，甚至可能是硅的替代品。单层石墨烯表现出极大的电子迁移率，优异的电阻率(106Ω疲倦)。石墨烯可以通过最常用的化学气相沉积(CVD)工艺转移到不同的基底上，通常涂有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。对这些材料进行了研究，以找到有利于医疗和其他行业的工业应用的确定方法。
商用柔性电子产品中最新颖的材料是PSS: PEDOT [1］．很难评估这种物质的电导率，因为在任何过程中，载流子的增加都不会直接影响它，而且仍有争议是增加的载流子还是它们的新增强的迁移率对其电导率产生直接影响[2］．然而，它是一种广泛使用的可印刷导体，但其导电性比大多数金属低104倍。聚苯胺与单壁碳纳米管复合薄膜的导电性优于PEDOT: PSS (2 S/cm) [3.］．如前所述，金属石墨烯在一定程度上缓解了这些问题。石墨烯的显著电特性是零重叠半金属，有电子和空穴作为载流子。在石墨烯中，只有3个电子发生化学键合，剩下的一个电子可称为高自由电子或高迁移率电子，实际范围从15000厘米²/VS到理论上的200000厘米²/VS [4］．由于这些独特的性质，它现在正在慢慢取代PSS。与PEDOT合成石墨烯聚(3,4乙基二氧噻吩)(PEDOT) (图1）.
图1:石墨烯- pedot的部分结构[5］．
近年来，人们对石墨烯PEDOT进行了许多实验，以确认其用于柔性电子器件的性能。在这些实验中，进行了与各种元素的组合，测量了其电导率、与元素组合时的薄板厚度、一定温度以上的质量损失、热稳定性等。如果柔性衬底必须在不久的将来找到一个强大的立足点，那么最重要的因素将是它们的导电性。幸运的是，这种混合材料的导电性相当好，即使受到弯曲等外部因素的影响也没有变化。这应该是基材的质量，以便将来可以很容易地制造这些材料。由于石墨烯是柔性电子产品的理想金属，具有完美的配置，因此应该对更多此类混合材料进行实验和试验，以实现实际目的。虽然PSS-PEDOT可能已经商业化用于柔性电子应用，但基于石墨烯的混合动力车现在应该进行尝试和测试。
制造不透水的薄膜屏障涂层已经成为柔性OLED显示器的主要挑战。聚合物衬底需要在衬底侧(钝化)和设备顶部(封装)有一个屏障，以确保长寿命。光发射通过的屏障需要满足可见光光谱85%至90%的高光学透明度的附加标准，控制光学微腔效应，如果在OLED顶部，则需要低应力以避免对OLED的剪切损伤，密集和保形涂层以避免穿透层和边缘泄漏，以及低工艺温度。多层有机/无机阻挡涂层已被证明可以延长oled的工作寿命[1-5］．
所有这些材料的制造都需要一种坚固的密封剂。对二甲苯是一种透明的、化学性质稳定的聚合物，对氧气和水蒸气的渗透速率低。它被认为是用于FOLED(柔性OLED)阻挡层的一个很好的候选者。由于其优异的均匀和保形覆盖，不会形成针孔和微裂纹，是OTFTs(有机薄膜晶体管)的理想封装剂[6］．
在各种类型的聚二甲苯中，聚二甲苯- c在商业上是最可行的，适用于这种操作。聚二甲苯- c的静态和动态摩擦系数在0:25到0:33之间，这使得该材料可以用作柔性otft的电介质和/或密封剂[6］．它有一个有效的化学屏障层。聚二甲苯涂层形成连续的透明保形薄膜。对二甲苯薄膜是通过气相沉积聚合(VDP)的过程应用于真空沉积室中的基材上[6］．除了这个品种，市面上可买到的对二甲苯变体包括对二甲苯N和对二甲苯HT [7-10］．聚二甲苯N具有线性结构和高度结晶性。它的最高介电强度约为7000。介电常数决定了其介电容量。介电常数越高，介电表面的电容越大，电场越大。6］．在这些类型的应用中，聚二甲苯N被用作电介质，除了聚二甲苯的医疗应用外，该品种最好用于其他电子应用和用途。
可拉伸电子器件在医疗应用中发挥着重要作用，因为它们与大脑、心脏、皮肤等集成在一起。降低刚度对于实现系统不仅安全而且提供高保真数据流至关重要。使用前面描述的纳米概念的柔性电子器件允许高速多路复用，高时间分辨率，以及大面积的保形电极-组织接口。因此，提高它们在大脑分析中的作用是相当重要的。此外，电极之间亚毫米间距的高密度系统产生了对新的神经机制的见解，其中不寻常的顺时针和逆时针螺旋模式的兴奋以与微癫痫症状相关的方式传播[3.］．同样，对于心脏来说，这种电子系统如今也起着关键作用。用于电绘图的电极与各种蛇形互连器集成在气球表面[3.］．这种操作模式对球囊消融导管特别有用，消融评估可以快速实现，而不需要单独的诊断设备。除了电气和温度传感器外，该平台还支持接触传感器和刺激电极。雷竞技网页版雷竞技网页版接触传感器可以报告球囊皮肤和心内膜组织接触的时刻，从而提供重要的反馈(无需x射线成像)，说明如何调整和操纵膨胀的球囊，以在消融过程中实现对pv的最佳闭塞[3.］．
包括碳纳米管在内的类石墨烯材料存在大量的缺陷，这些缺陷是由其生长或缺陷引起的。这些缺陷是通过某些过程产生的，如化学气相沉积(CVD)。通过微拉曼光谱可以检测到平面内缺陷，掺杂石墨烯的情况也适用于各种技术目的。据说，原始石墨烯比氧化石墨烯显示出更多的裂纹缺陷。石墨烯的晶界重叠被认为是石墨烯制造中的主要缺陷之一，它在很大程度上降低了石墨烯的质量和其他重要特性。重叠的发生是由于两个不同取向的石墨烯域的融合。产生的另一个关键缺陷是催化金属蚀刻缺陷，它降低了单层石墨烯的电导。有几种方法可以克服这些缺陷。其中一种是将一块石墨烯片排列在另一块之上，以提高石墨烯的可拉伸质量。这种石墨烯排列的力学特性使其易于与较软的物质相适应。 However, the factor for stretchability has been violated in conforming it to a softer substrate. In many experiments, it has been seen that silicon and PDMS (Poly Di Methyl Siloxane) due to mechanical operations a strain is created on the substance which allows it to form a wave-like a pattern. Although this method is commonly accepted the cost of SiC is relatively high and so cannot be considered as a manufacturing element in the least. The correct method for transferring graphene on these substrates to be taken for absolute commercialization has not been decided as yet.
如果看到了可拉伸和可穿戴设备的愿景，那么应该考虑兼容的电源。就这一点而言，轻薄的电池最适合这个用途。这种电池的发展仅限于设计或合成。制造这种电池的完美材料还没有找到。在这种背景下，石墨烯电池引起了科学家和研究人员的极大兴趣。众所周知，锂离子电池具有工作电压高、重量轻、容量大、功率密度高等优点，是目前应用最广泛的便携式设备电源。然而，目前对于大规模和传感器应用，成本可能过高[11-13］．石墨烯电池和锂离子电池之间的主要区别是各自电极的组成，主要是阴极。阳极在某些情况下使用碳同素异形体，通常由金属材料和石墨烯组成。这种电池的能量密度是普通电池的一半。因此，这种类型的电池在制造商中产生了最大的兴趣(图2）.
图2:石墨烯电池的制造工艺[13］．
与石墨烯和锂相比，最近一组科学家专注于开发一种先进的锌电池，使用氧化铋作为电极添加剂。
印刷通常使用适合在基材上显影的普通印刷设备。绘画也被认为是一种印刷方法。通常铝涂料被认为是打印电池的可行来源，但由于该物质的高爆炸性和高氧化性，它最终被废弃了。必须仔细选择用于印刷的油墨类型。在各种形式的油墨中，现有的研究人员选择了氧化锌银与异戊二烯和聚苯乙烯(SIS)混合。Zn/Ag2O化学是一种水化学。在这种情况下，化学反应的非反应给了制造商一个有利的地位，认为这是一个可行的油墨材料的选择。还有其他各种印刷方法，如凹版、模板、丝网和喷墨。其中，喷墨印刷和模板印刷在各地的实验和研究中都被作为印刷的标准方法。14-18］．在喷墨打印方法中，打印机要成功打印出图案，主要采用两个过程。这些过程是i>热过程ii>压电过程在其所有应用中适当的[19-25］．从传感器到RFID标签，这些电池的应用范围很广。生物识别传感器需要一个恒定的电源来充分工作，这对它有很大的要求。当这些传感器被引入人体，用于检测和监测血糖水平、血压等时，这些电池如果打印在芯片上或与芯片集成，将作为这些传感器的电力存储。个人大脑中的传感器需要一直处于活动状态，因此电源需要有足够的支持。这些电池的用途很好。与石墨烯或任何石墨烯聚合物等主要基材集成的电池将能够形成可拉伸电子产品的未来[26-30.］．
未来用于上述可拉伸电子集成到有效器件制造中的材料必须在很大程度上具有成本效益。在所有考虑使用的材料中，石墨烯在可拉伸应用方面优于传统的硅。如上所述，流行碳化硅(SiC)。自然界中出现的奇异石墨烯不能直接用于制造[31-33］．它的合成和制备方法目前一点也不便宜。如果在不久的将来这些方法变得便宜，那么这种材料的大规模生产将成为可能。34］．开发与石墨烯集成的聚合物是最好的制造方法之一，因为它不仅具有成本效益，而且易于管理[35］．在任何此类可拉伸装置中，都需要恒定的电源，因此电池材料必须合并到该装置中[36-38］．因此，石墨烯材料要想与这些合适的元素成功结合，可能还需要进行更多的实验。在完成这一点后，只有必要的电路才能以最高的效率打印在生产的材料上。这就是未来智能手机的开发过程，智能手机可以是腕式的，也可以是用于医疗目的的智能传感器。39］．
如今，石墨烯被认为是可拉伸应用所需的材料。如果应变约束得到缓解，印刷工艺得到增强，并可用于工业生产，那么我们可以预见，可拉伸电子产品的市场将会发展起来。最后将确定石墨烯的制备和合成，确定合适的电池作为器件的恒电源。
作者非常感谢D.N. Bose教授对手稿提出的建议。
