一文解析柔性電子技術(shù)的發(fā)展難題

折疊屏手機(jī)已上市，柔性芯片也來(lái)了，馬斯克剛剛發(fā)布的腦機(jī)接口系統(tǒng)，讓可植入大腦的超細(xì)柔性電極火了一把。盡管如此，在以“硬質(zhì)”為主導(dǎo)的電子世界里，柔性電子技術(shù)才剛剛起步。

日前，第二屆柔性電子國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)（ICFE2019）在杭州舉行。會(huì)議期間，中國(guó)科技新聞學(xué)會(huì)和光明網(wǎng)還聯(lián)合舉辦了以柔性電子技術(shù)為主題的第二期“科學(xué)麻辣燙”科學(xué)沙龍活動(dòng)。

科技日?qǐng)?bào)記者采訪了解到，方興未艾的柔性電子技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有電子系統(tǒng)“剛?cè)岵?jì)”，還需要突破不少挑戰(zhàn)。

柔性電子技術(shù)發(fā)展難題：力學(xué)與封裝

柔性屏幕、柔性芯片、柔性電極只是柔性電子技術(shù)的冰山一角。實(shí)際上，信息技術(shù)所涉及的傳感、信息傳輸、信息處理、能源存儲(chǔ)等多種環(huán)節(jié)都有望實(shí)現(xiàn)柔性化。

據(jù)介紹，柔性電子概念最早可追溯至對(duì)有機(jī)電子學(xué)的研究，大約起步于上世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)科研人員試圖用有機(jī)半導(dǎo)體替代硅等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，從而使有機(jī)電子器件具備柔性特點(diǎn)。

“現(xiàn)在柔性電子技術(shù)仍處于起步階段，研發(fā)人員很多時(shí)候在嘗試，試圖突破傳統(tǒng)思路，創(chuàng)造新的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。”清華大學(xué)柔性電子技術(shù)研究中心主任馮雪說(shuō)。

不難想象，作為一個(gè)新興領(lǐng)域，目前柔性電子技術(shù)的研發(fā)過(guò)程仍充滿重重挑戰(zhàn)。

清華大學(xué)材料學(xué)院副院長(zhǎng)沈洋認(rèn)為，整體而言，目前柔性電子技術(shù)主要面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)?！暗谝粋€(gè)挑戰(zhàn)是力學(xué)問(wèn)題，柔性電子元器件在反復(fù)折疊、彎曲時(shí)會(huì)不斷承受交變應(yīng)力，時(shí)間久了容易開(kāi)裂、出問(wèn)題，目前主要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)克服這個(gè)問(wèn)題。”沈洋說(shuō)，第二個(gè)挑戰(zhàn)是電子封裝問(wèn)題，就是把在柔性基板上集成的部件嚴(yán)絲合縫地封裝在一起，并實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授陳曉東以柔性傳感器舉例說(shuō)，一方面，現(xiàn)階段還缺乏可靠的制備工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。另一方面，科學(xué)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，并具備生物兼容性。此外，動(dòng)態(tài)耐受性也是柔性傳感器面臨的重要考驗(yàn)，因?yàn)樗３Ｐ枰谟脩羯眢w處于動(dòng)態(tài)的情況下采集數(shù)據(jù)。

二維材料或是未來(lái)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(guó)西北大學(xué)教授約翰·羅杰斯是柔性電子領(lǐng)域的先驅(qū)之一，羅杰斯的研究證實(shí)，像硅這樣原本又硬又脆的材料，在變得非常薄或尺度非常小之后，會(huì)具有一定柔性。

這當(dāng)然是個(gè)好消息。因?yàn)楣柙谀壳?a target="_blank">半導(dǎo)體材料中占主導(dǎo)地位，把硅基片柔性化，可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)柔性電子系統(tǒng)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(chǔ)之一。目前我們正在探索將硅基電子元器件柔性化的同時(shí)，又保證其高頻、高速的導(dǎo)電特性。”馮雪說(shuō)。

不過(guò)，受摩爾定律制約，硅基半導(dǎo)體的性能幾乎發(fā)揮到淋漓盡致，逐漸接近天花板。對(duì)于柔性電子領(lǐng)域而言，探索新的適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的柔性材料，也變得迫切起來(lái)。

陳曉東介紹，目前國(guó)際上對(duì)柔性電子材料的選擇主要有兩種思路。一種思路是從傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料轉(zhuǎn)向有機(jī)材料，比如將高分子材料、有機(jī)半導(dǎo)體用于柔性電子材料。另一種思路是將有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料相結(jié)合，使用所謂的混合材料來(lái)研發(fā)柔性電子技術(shù)。

自石墨烯被制備出來(lái)后，由單層原子構(gòu)成的錫烯、二硫化鉬和黑磷等二維材料受到半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)注。沈洋在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，二維材料的相關(guān)研究也將有益于柔性電子技術(shù)發(fā)展。

“很多二維材料已經(jīng)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)硅材料更加優(yōu)越的性能，比如更高的電荷遷移率，更小的功耗等等。”沈洋認(rèn)為，研究基于二維材料的柔性電子元器件，可能是未來(lái)的發(fā)展方向之一。