斯坦福鲍哲南团队又获突破性进展:更易量产的柔性电子材料,“一个全新电子世界”即将来临

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斯坦福鲍哲南团队又获突破性进展:更易量产的柔性电子材料,“一个全新电子世界”即将来临
麻省理工科技评论 2018年2月26日

2018年2月26日

作为材料学和电子学领域的一大热门方向,柔性电子学的研究一直颇受关注。
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作为材料学和电子学领域的一大热门方向,柔性电子学的研究一直颇受关注。

作为材料学和电子学领域的一大热门方向,柔性电子学的研究一直颇受关注。目前,基于有机高分子,在柔性可拉伸电子材料的研发上已取得一定突破,但是,受限于没有适用于高分子材料的电子制造工艺,利用柔性电子材料所制成的功能性电子器件还从未实现过,导致这一领域的发展无法从材料学研发进展到真正的电子学研发。过去的近 20 年来,斯坦福大学的材料学家鲍哲南一直致力于探索兼具柔性和电子性能的材料,以制备仿皮肤性能的电子器件去帮助那些失去触感的人恢复部分感觉。

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图丨利用类皮肤材料制造的产品,符合手的复杂曲线。(来源:斯坦福大学)

近日,她所领导的团队实现了在柔性电子上取得了突破性进展,第一次实现了具有高度拉伸性的晶体管阵列和电子运算电路,朝着实现柔性电子功能器件的目标又迈进了一大步,研究成果发布在《Nature》上。

在团队的这一最新成果中的一大应用突破,他们创造了一种可拉伸的高分子电子材料电路,这个电路集成了集成了基于晶体管阵列的有源矩阵以及触摸传感器,可以探测瓢虫的细微足迹,这也让“人造皮肤”在功能上更接近人的真实皮肤。本次成果的第一作者、鲍哲南教授团队的博士后王思泓与文章共同第一作者徐洁博士对 DT 君说:“人的皮肤所具有的触觉功能,很重要的一个特点是高密度的天然机械感受器(mechanoreceptor)赋予了皮肤灵敏高分辨率的多点感知功能。通过实现可拉伸的有源矩阵(active matrix)作为背板电路,我们突破了可拉伸触觉传感器的高密度集成的最重要的技术壁垒,使得‘人造皮肤’在触觉功能上大大接近了真实的皮肤,可以感受物体位置的变化,表面的粗糙程度等”。

除了让“人造皮肤”更加智能以外,鲍哲南团队还实现了另一个更为实用的效果:赋予其柔软可拉伸的特性,让其在机械形态上更加接近真实皮肤。团队开发的可拉伸电子器件(晶体管和电路)可扩展到原尺寸的2 倍,并恢复原样,同时保持其导电和运算能力,且不产生裂纹、分层或皱褶。为了测试寿命,研究团队伸展样品 1000 多次,样品并没有产生严重的损坏和敏感缺失。王思泓与徐洁对 DT 君表示,相关技术在未来最重要的一个应用方向之一就是“脑机界面”:“大脑产生的神经电信号具有很弱的幅度,因此,利用具有信号放大功能的有源器件(晶体管)来构建大脑神经信号的测量界面,对于提高信号采集的信噪比进而提升神经信息的读取能力至关重要。另一方面,大脑又是极其柔软并且敏感的,因此长期稳定工作的脑机界面需要具有与大脑相匹配的力学属性,从而不引发免疫反应。我们这一技术首次将这两个方面统一了起来,因此在将来有望发展为更加理想的脑机界面技术”。

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图丨人类手腕内侧粘贴着有集成了6300个晶体管的可拉伸大型阵列。面积大约为 4.4×4.4cm²

不过,相比更为遥远的“脑机界面”,他们开发的能够大规模制备可伸缩电子材料的方法,很有可能成为柔性电子产品实现技术商业化的关键步骤,加速柔性电子产品的普及进度条,并为可拉伸高分辨率显示屏、其他类型传感阵列的开发提供更大可能性,最终带来可穿戴电子产业的革命性变革。


更易量产的制造工艺

事实上,市面上已经出现一些可折叠电子器件,然而,能做到可拉伸的电子器件却几乎没有。另外,此前的柔性电子技术都是基于传统无机电子材料(如硅等),往往得牺牲电子器件的密度才能够实现可拉伸的效果,不仅局限性较大,而且制造工艺复杂,产率很低。制造可拉伸电子器件需要可拉伸材料,尤其是可拉伸半导体和导体,且在大应变下(变形下)也具有稳定的导电性。而高分子电子材料已经被证明是最有前途的能用于实现兼具高电气性能和拉伸性的一类材料。鲍哲南团队同样使用了高分子电子材料这种可拉伸材料作为基体(即主要聚集体)实现拉伸性。

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图丨显微镜下的晶体管阵列与晶体管阵列放大图

鲍哲南表示,该生产工艺涉及几层新型高分子电子材料,它们有些是可拉伸导体材料,一些是提供半导体性能的可拉伸高分子材料,还有一些是作为器件中的可拉伸绝缘体材料。但材料只是第一步,我们还需要相应的制造技术,才能将这些材料成功整合到晶体管阵列中来实现具有柔软特性的电子电路。正如鲍哲南教授所说的:“人造皮肤和柔性电子器件的研究已经走过了很漫长的道路,但没有人知道制造可伸缩电路的可靠方法。”电子元件制造工艺流程需要保证器件的高成品率、性能的稳定性、各层之间良好的材料兼容性以及良好的电气和机械性能。

王思泓、徐洁也对 DT 君透露,他们所开发的可伸缩柔性晶体管阵列的制造方法中,最重要的难点有两方面:首先,对于具有可拉伸性的高分子电子材料,其可加工性(包括薄膜生长和阵列化)一般都是通过溶解在有机溶剂中获得的,但与此同时,加工好的高分子薄膜,又往往很容易被许多有机溶剂破坏。因此,对于这种需要全部基于溶液的多层高密度阵列器件的制造,如何使得每一层材料的加工工艺达到全部互相兼容,同时不影响所有功能材料的性能,这是最大的挑战。

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图丨制造工艺流程

其次,可拉伸电子材料现在正处在快速发展中,因此,这一制造工艺最好具有材料的普适性,甚至可以将以后研发出的更高性能的材料直接用到电子器件和电路的性能提升中。具体到团队制造出的可拉伸晶体管阵列上,整个制造过程使用活性组分的逐层沉积(layer-by-layer),这样就避免通常由于通过物理粘附剥离的转移工艺而导致的低成品率和糟糕的性能稳定性。

而为了确保基板与这些新材料的良好兼容性,他们在硅晶片上涂有水溶性牺牲层(葡聚糖),以使器件能够最终释放到可拉伸基板上。然后,沉积并光刻可拉伸电介质图案于基板上。接着,连续沉积并光刻图案用于源极/漏极电极(与第一层互连)以获得顶部接触结构。最后,将整个器件压到装置上,将其浸泡在水中,以将器件从刚性基材上释放。但是,还有一个问题是,一般情况下,以高分子电子材料为基板的可拉伸电子材料它们与标准光刻微细加工技术不兼容,因此生产技术具有很高的挑战性。

为了对通常与传统光刻工艺不兼容的可拉伸高分子电子材料半导体进行图案化,研究团队制定了两种策略:第一种是基于蚀刻工艺,使用氟化高分子电子材料作为牺牲层的铜掩模保护,其溶剂不会溶解装置的其他现有组件。在将薄膜沉积与图案化工艺分开时,该方法普遍适用于各种可拉伸半导体制造而不牺牲其电性能。第二种策略是使用喷墨打印用于大规模制造的图案化工艺方法,它尤其非常适用于具有良好溶解性的高分子电子材料半导体。


拉伸至原先 2 倍,循环 1000 次仍性能稳定

上述的制造工艺最终可以实现在 4.4×4.4cm² 的面积上集成 6300 个晶体管。现在,鲍哲南团队已经生产出了可拉伸晶体管阵列,其晶体管密度约为每平方厘米 347 个晶体管,并且具有高达 100%的可拉伸性,即拉伸之后面积为原来的 2 倍。

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图丨作为“人造皮肤”核心构建块的可拉伸晶体管阵列的三维图

整个晶体管阵列于在非洁净室环境中制造完成,由于介质层的泄漏,108 个晶体管中只有 6 个晶体管失效,总产率为 94.4%,性能均匀性高,具备具有理想的开关特性。此外,10V 左右的低工作电压使器件能够适用于皮肤上(通常而言,干燥下,人体安全电压值为 24V 以下,潮湿下为 12V)。

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图丨指尖上的108个可伸缩晶体管组

这样的晶体管阵列是半透明的,具有皮肤一致性和可拉伸性,可以在平行和垂直于电荷传输方向拉伸至原来的 2 倍,并没有观察到裂纹,分层或皱纹。这是通过“准均匀”机械结构设计实现的。具体而言,所有主要的薄膜器件主要是基于 SEBS 的(即电介质、衬底和 CONPHINE 半导体的 70%),界面剪切和垂直应力(拉伸下主要的分层原因)被有效抑制。在平行和垂直方向下拉伸的晶体管的电气性能即使在拉伸至原来两倍时也是高度稳定的。这种可拉伸晶体管阵列在两个方向上重复拉伸至原来的 2 倍且循环 1000 次时也显示出前所未有的机械稳健性。此外,该阵列具有极高的可拉伸性(最大程度可拉伸至原来的 6 倍),即使受到压力,扭曲和双轴拉伸时也表现出非常稳定的电气性能。

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图丨成品晶体管示意图

而在人造皮肤成为可能之前,鲍哲南团队研发的工艺能够制造可折叠可伸缩的触摸屏、电子织物或者用于医学领域的“皮肤补丁”。徐洁表示,该样品性能强大,甚至是在形状不规则的表面上。最有希望的是,该制备工艺可能成为评估其他研究人员制备的其他柔性电子材料的一个平台。但是,在这些新材料和新工艺具备与刚性硅基电路相同功能之前,仍然还有很多工作要做。“首先,我们团队必须提升样品的电子速度和性能。我认为我们正处在一个全新电子世界的边界”,鲍哲南说。王思泓与徐洁也认为,在这个全新的电子世界,电子器件将具有前所未有的形态,不再只是坚硬的块体,而是可以像人体皮肤或组织一样柔软有弹性,从而可以前所未有的方式和人体紧密结合,实现许多现在实现不了或者甚至还无法想象的功能,通过电子的方式进一步提高人类的健康水平和生活质量。

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