一文解析柔性電子技術的發(fā)展難題

折疊屏手機已上市，柔性芯片也來了，馬斯克剛剛發(fā)布的腦機接口系統(tǒng)，讓可植入大腦的超細柔性電極火了一把。盡管如此，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（ICFE2019）在杭州舉行。會議期間，中國科技新聞學會和光明網(wǎng)還聯(lián)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。

科技日報記者采訪了解到，方興未艾的柔性電子技術，要實現(xiàn)與現(xiàn)有電子系統(tǒng)“剛柔并濟”，還需要突破不少挑戰(zhàn)。

柔性電子技術發(fā)展難題：力學與封裝

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(huán)節(jié)都有望實現(xiàn)柔性化。

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

“現(xiàn)在柔性電子技術仍處于起步階段，研發(fā)人員很多時候在嘗試，試圖突破傳統(tǒng)思路，創(chuàng)造新的領域和產(chǎn)業(yè)?！鼻迦A大學柔性電子技術研究中心主任馮雪說。

不難想象，作為一個新興領域，目前柔性電子技術的研發(fā)過程仍充滿重重挑戰(zhàn)。

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(zhàn)?！暗谝粋€挑戰(zhàn)是力學問題，柔性電子元器件在反復折疊、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?！鄙蜓笳f，第二個挑戰(zhàn)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，并實現(xiàn)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(xiàn)階段還缺乏可靠的制備工藝實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。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，并具備生物兼容性。此外，動態(tài)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于動態(tài)的情況下采集數(shù)據(jù)。

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·羅杰斯是柔性電子領域的先驅之一，羅杰斯的研究證實，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，會具有一定柔性。

這當然是個好消息。因為硅在目前半導體材料中占主導地位，把硅基片柔性化，可以說是實現(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之一。目前我們正在探索將硅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?！瘪T雪說。

不過，受摩爾定律制約，硅基半導體的性能幾乎發(fā)揮到淋漓盡致，逐漸接近天花板。對于柔性電子領域而言，探索新的適用于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(tǒng)的無機材料轉向有機材料，比如將高分子材料、有機半導體用于柔性電子材料。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(fā)柔性電子技術。

自石墨烯被制備出來后，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(yè)關注。沈洋在接受科技日報記者采訪時表示，二維材料的相關研究也將有益于柔性電子技術發(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?！鄙蜓笳J為，研究基于二維材料的柔性電子元器件，可能是未來的發(fā)展方向之一。