在“硬質”世界里,柔性電子技術大有可為
2019年07月22日01:53

  文章來源:科技日報 

  本報記者 劉園園

  摺疊屏手機已上市,柔性芯片也來了,馬斯克剛剛發佈的腦機接口系統,讓可植入大腦的超細柔性電極火了一把。儘管如此,在以“硬質”為主導的電子世界里,柔性電子技術才剛剛起步。

  日前,第二屆柔性電子國際學術大會(ICFE 2019)在杭州舉行。會議期間,中國科技新聞學會和光明網還聯合舉辦了以柔性電子技術為主題的第二期“科學麻辣燙”科學沙龍活動。

  科技日報記者採訪瞭解到,方興未艾的柔性電子技術,要實現與現有電子系統“剛柔並濟”,還需要突破不少挑戰。

  力學與封裝是兩大難題

  柔性屏幕、柔性芯片、柔性電極只是柔性電子技術的冰山一角。實際上,信息技術所涉及的傳感、信息傳輸、信息處理、能源存儲等多種環節都有望實現柔性化。

  據介紹,柔性電子概念最早可追溯至對有機電子學的研究,大約起步於上世紀60年代,當時科研人員試圖用有機半導體替代矽等無機半導體,從而使有機電子器件具備柔性特點。

  “現在柔性電子技術仍處於起步階段,研發人員很多時候在嚐試,試圖突破傳統思路,創造新的領域和產業。”清華大學柔性電子技術研究中心主任馮雪說。

  不難想像,作為一個新興領域,目前柔性電子技術的研發過程仍充滿重重挑戰。

  清華大學材料學院副院長沈洋認為,整體而言,目前柔性電子技術主要面臨兩個挑戰。“第一個挑戰是力學問題,柔性電子元器件在反複摺疊、彎曲時會不斷承受交變應力,時間久了容易開裂、出問題,目前主要通過結構設計克服這個問題。”沈洋說,第二個挑戰是電子封裝問題,就是把在柔性基板上集成的部件嚴絲合縫地封裝在一起,並實現預期功能。

  南洋理工大學材料科學與工程學院教授陳曉東以柔性傳感器舉例說,一方面,現階段還缺乏可靠的製備工藝實現大規模生產。另一方面,科學家仍在探索如何讓柔性傳感器與人體形成可靠的黏附界面層,並具備生物兼容性。此外,動態耐受性也是柔性傳感器面臨的重要考驗,因為它常常需要在用戶身體處於動態的情況下採集數據。

  二維材料或是未來選擇之一

  在柔性電子器件的材料選擇上,科研人員也在不斷摸索。

  沈洋介紹,美國西北大學教授約翰·羅傑斯是柔性電子領域的先驅之一,羅傑斯的研究證實,像矽這樣原本又硬又脆的材料,在變得非常薄或尺度非常小之後,會具有一定柔性。

  這當然是個好消息。因為矽在目前半導體材料中占主導地位,把矽基片柔性化,可以說是實現柔性電子系統的“捷徑”。

  “一代材料一代器件,材料是我們做電子器件最重要的基礎之一。目前我們正在探索將矽基電子元器件柔性化的同時,又保證其高頻、高速的導電特性。”馮雪說。

  不過,受摩爾定律製約,矽基半導體的性能幾乎發揮到淋漓盡致,逐漸接近天花板。對於柔性電子領域而言,探索新的適用於不同應用場景的柔性材料,也變得迫切起來。

  陳曉東介紹,目前國際上對柔性電子材料的選擇主要有兩種思路。一種思路是從傳統的無機材料轉向有機材料,比如將高分子材料、有機半導體用於柔性電子材料。另一種思路是將有機材料和無機材料相結合,使用所謂的混合材料來研發柔性電子技術。

  自石墨烯被製備出來後,由單層原子構成的錫烯、二硫化鉬和黑磷等二維材料受到半導體行業關注。沈洋在接受科技日報記者採訪時表示,二維材料的相關研究也將有益於柔性電子技術發展。

  “很多二維材料已經表現出比傳統矽材料更加優越的性能,比如更高的電荷遷移率,更小的功耗等等。”沈洋認為,研究基於二維材料的柔性電子元器件,可能是未來的發展方向之一。

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