基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展

基于柔性薄膜电子器件设计制备与发展基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第1页2内容提要一、需求与应用二、面临技术挑战三、国内情况和研究条件基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第2页工业需求个人需求过去现在未来PNAS106,10875().Science

327,1603().生物集成需求可延展柔性化是微电子器件革命性发展方向基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第3页4现在未来采取柔性电子技术新生婴儿护理与健康监测Ann.Rev.Biomed.Eng.

14,113().电子器件可伸展柔性主要意义基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第4页有机柔性电子器件电学性能发展瓶颈5有机太阳能电池能量转换效率8.3%；无机太阳能电池能量转换效率41.1%(美国NationalEnergyRenewableLaboratory)蓝光有机LED外部量子效率为4.8%，使用寿命小于15000小时；蓝光无机LED外部量子效率到达60%，使用寿命到达50000小时以上（Kim等报道）有机电子器件电学性能与无机电子器件相比，相差数倍不能利用有机半导体实现高频高速特征！基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第5页无机电子器件可伸展柔性主要意义6可供生物集成电子器件半导体材料碳纳米管:高电子迁移率,比较稳定高温生长,电异质性0.11101001,00010,000聚合物:溶液处理工艺性能较差小分子材料:性能靠近于a-Si真空沉积单晶材料:

需要研究固有电荷传输；易碎，集成工艺存在挑战SiGaAsa-Si?poly-SiNature()NatureNano.()Science()PNAS()基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第6页高速柔性无机薄膜电子器件设计原理电子学功效部件依然采取无机材料从而确保高速功效经过力学及几何设计使得电子器件具备柔性可延展大变形不改变器件电子学性能基本原理刚性材料经过结构化力学设计实现柔性SiPDMSL+dLWavySiLLPDMSmotherwafer:Si基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第7页高速柔性无机薄膜电子器件设计原理岛桥结构设计屈曲互联导线设计电子学功效部件依然采取无机材料从而确保高速功效经过力学及几何设计使得电子器件具备柔性可延展基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第8页电子信息产业是国民经济主要支柱之一9电子信息制造业收入（亿元）增加率（％）电子信息制造业收入在GDP中比重（％）电子信息制造产业在国内生产总值中占有主要稳定百分比电子信息制造业一直保持增加，但增加率在降低，高速柔性电子技术能够促进信息产业革新和升级。基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第9页10二、面临技术挑战基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第10页柔性无机微纳电子器件原理器件或连线二氧化硅硅介电质器件或连线柔性基体硅传统“非柔性”电子器件“柔性”电子器件柔性化FlexibleICs难点与挑战：基于无机薄膜电子器件可延展柔性化？怎样将脆性无机薄膜与柔性基体集成？大变形及疲劳载荷下薄膜器件是否失效？高速柔性薄膜电子器件设计制备与集成挑战11基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第11页12关键科学问题高速薄膜器件可延展柔性化与集成化设计理论高速柔性薄膜器件转印实现及其界面物理机理柔性环境下无机薄膜器件高速电子学性能与退化机理基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第12页13科学问题一：高速薄膜器件可延展柔性化

与集成化设计理论科学难点怎样实现脆性无机薄膜器件可延展柔性？怎样设计无机薄膜与柔性基体集成结构？研究思绪利用力学屈曲变形使得互连导线或薄膜出现波浪状基于分形互连可展结构及基体表面微结构布控可延展柔性结构聚合物柔性基体无机薄膜或互连导线聚合物柔性基体无机薄膜或互连导线基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第13页14科学问题二：高速柔性薄膜器件转印实现

及其界面物理机理科学难点怎样实现脆性薄膜与柔性基体转印集成？怎样控制大变形下无机薄膜/柔性基体间界面失效？研究思绪调控无机薄膜/柔性基体界面粘附特征利用断裂力学确定界面失效准则大变形异质界面柔性器件基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第14页15科学问题三：柔性环境下无机薄膜器件

高速电子学性能与退化机理科学难点怎样确保可延展柔性环境下无机薄膜电学性能及其可靠性？研究思绪经过理论分析无机薄膜在变形下电学性能经过试验与理论计算结合方式确定多场耦合作用下无机薄膜电学性能基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第15页16主要研究内容力学介入可延展柔性高速薄膜器件集成化设计研究高速柔性薄膜器件高效、大规模转印集成技术研究满足柔性基体集成高速薄膜器件微纳制备技术研究柔性/刚性异质界面对高速薄膜器件集成及电子学性能调控机理研究含有柔性互连导线高速薄膜器件延迟机制与可靠性研究基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第16页171.力学介入可延展柔性高速薄膜器件集成化设计研究？？图研究内容：集成电路可延展柔性化设计原理互连导线自相同结构大变形机理无机薄膜应变隔离新原理及其实现方法可延展柔性集成电路仿真分析科学贡献：基于力学屈曲变形结构可延展柔性化理论技术突破：微纳尺度可延展柔性结构优化设计方法岛-桥构型自相同导线基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第17页182.高速柔性薄膜器件高效、大规模转印集成技术研究研究内容：柔性基体表面微结构设计实现界面粘附力调控机理薄膜与柔性基体转印结合过程及控制参数大规模局部主动控制转移印刷集成方法科学贡献：基于界面可控粘附转印理论与集成方法技术突破：实现高效高成品率转印技术转印机理大规模转印基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第18页193.满足柔性基体集成高速薄膜器件微纳制备技术研究研究内容：小型化、薄膜器件外延结构设计和生长技术小型化、薄膜器件器件结构设计和制备技术面向准确转印衬底剥离和微结构支撑技术科学贡献：薄膜材料微型化设计和制备研究技术突破：满足转印衬底剥离技术和微支撑结构衬底剥离后微支撑结构基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第19页204.柔性/刚性异质界面对高速薄膜器件集成及电子学

性能调控机理研究研究内容：电-力-热等多场耦合下薄膜器件性能基本参量试验表征方法大变形情况下柔性/刚性界面对高速薄膜器件电子学性能影响柔性基体上集成薄膜结构应变空间分布对电学性能调控机理科学贡献：界面对高速薄膜器件电子学性能调控机理技术突破：电-力-热多场耦合性能表征方法基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第20页裂纹滑移脱粘作用力L-dL215.含有柔性互连导线高速薄膜器件延迟机制

与可靠性研究研究内容：高速可延展无机薄膜器件互连导线延迟模型高速可延展无机薄膜器件互连导线可靠性评定薄膜/基体系统稳定性与可靠性界面强度在大变形情况下演化及失效过程科学贡献：高速可延展无机薄膜器件互连导线延迟机理技术突破：薄膜器件稳定性和失效准则大变形基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第21页22三、国内情况和研究条件基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第22页

经过力学机理设计柔性无机mLED具比有机LED含有更高亮度、更长寿命；比传统无机LED含有更低成本和高延展性。（PNAS105:18675-18680,）柔性无机μLED研究进展：可延展柔性无机电子器件基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第23页

经过力学机理设计柔性无机mLED具比有机LED含有更高亮度、更长寿命；比传统无机LED含有更低成本和高延展性。（Science325:977-981,）柔性无机μLED研究进展：可延展柔性无机电子器件基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第24页研究进展：可延展柔性无机电子器件可延展柔性电路板(Science320:507-511,)

电子路板延展性高达140%可扭转、弯曲（PNAS105:18675-18680,）基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第25页研究进展：可延展柔性无机电子器件大脑上超柔电路

电路柔性使得其在湿润条件下与大脑不规则表面实现非常好全方面接触（NatureMaterials9:511-517,）1cmunwrapped75m25m7.0m2.8munwrappedwrappedwrapped0.3cm75m2.8mwrapped基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第26页

将电子元件转移印刷到曲面上，实现与人眼相同功效，同时经过内压调控微调镜头曲面曲率，实现镜头缩放。可调电子眼（PNAS108(5),1788-1793,）（Nature454,748-753,）研究进展：可延展柔性无机电子器件基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第27页多功效医用导管利用结构高延展性（高达100％），实现了将各种功效芯片集成于导管头上，减小了微创手术创伤。多功效医用导管CatheterSensorsACFfilm15mmDeviceIntegrationontocatheterlesionlesion5mmCPDMStactilesensorelectrodeelectrode1mmrabbitheart500m1mmdeflateinflateLEDtempsensorelectrode500melectrode（NatureMaterials10,316-323,）研究进展：可延展柔性无机电子器件基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第28页仿表皮电子原件含有与皮肤相近模量，在无需外加粘结剂情况下，在各种工况下（褶皱、弯曲）与人体皮肤保持很好接触。仿表皮柔性电子器件bareskinskinpatchdeformrelaxaftertransferelectronicsafterintegrationontoskinelectronicsfrontsidetattooafterdeformationbacksideoftattoo0.5cmtattoo（Science333,838-843,）研究进展：可延展柔性无机电子器件基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第29页研究进展：可延展柔性无机电子器件可延展柔性电池(NATURECOMMUNICATIONS4:1543,)高达200％-250%延展性基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第30页研究进展：可延展柔性无机电子器件可延展柔性电池(NATURECOMMUNICATIONS4:1543,)基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展第31页研究进展：柔性电子器