高分子基柔性光电器件的研究进展

房子敬　端家万　朱家辉　张霄汉　崔运国

摘 要：随着科技的发展，光电器件的延展性、柔韧性受到了高度重视，以柔性基材为基底的光电器件发展迅猛。在高分子基体等柔性基底上制备金属氧化物（或者有机）半导体材料，构建新型柔性电子器件是重要的研究方向。简要叙述了以高分子为基体的柔性电子器件研究现状，总结了高分子柔性薄膜基材的选取原则和高分子基金属氧化物薄膜的制备方法，展望了高分子基柔性光电器件未来的研究方向。

关键词：柔性基底；半导体；光电器件；高分子柔性薄膜基材

中图分类号：TB324；O484 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.012

常规电子器件一般是以硅晶片为基板进行电子集成的，由于硅晶具有硬脆的性质，使传统的電子器件难以适应需要弯曲或延展的场合。一旦其发生较大的变形，将导致电子器件的结构被破坏或性能失效，所以，寻求具有良好的抗弯曲和延展性电子器件成为当前的研究热点。2004年，普林斯顿大学的Stephen R. Forrest教授综述了有机电子的研究现状和发展方向，并预言了全新一代的柔性电子器件将会被大力推广。

为了探索如何使电子器件在拉、压、弯和扭等变形的情况下仍能保持良好的光电性能，科学家提出2套解决方案，即：①将传统电子器件与柔性基体结合，设计特殊结构，促使整个器件具有一定的柔韧性和延展性；②在高分子基体（或者超薄的玻璃基片）上制备金属氧化物（或者有机）半导体材料，构建新型柔性电子器件。

1 柔性基底薄膜材料的选择及其性质

新型柔性光电子器件对基体提出以下3点要求：①具有良好的透光性；②具有良好的耐热性；③衬底与薄膜之间有良好的黏附性。通常使用的柔性基底薄膜均为塑料薄膜，包括聚酰亚胺（PI）薄膜、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚酯（PET）等。

PI的种类很多，由联苯二酐和对苯二胺合成的PI具有耐高温、耐辐热、机械性能好、摩擦学性能优良等突出的综合性能，其热分解温度为600 ℃， 是迄今聚合物中热稳定最高的品种之一，它能在短时间耐受555 ℃高温，基本保持其各项物理性能。PET薄膜是一种性能比较全面的薄膜，具有良好的气密性，透明性，耐热、耐寒性，耐化学药品性和耐油性等。PET经玻璃纤维增强，可升至265 ℃左右。PDMS薄膜因为低杨氏模量导致结构高弹性也成为了柔性基底材料的选择之一。它具有良好的气体渗透性、低润湿性、低表面能、生物相容性和热稳定性等，这也决定了硅氧烷-有机嵌段和接枝共聚物的应用，PDMS的耐温性约为200 ℃。这几种材料的相关参数如表1所示。

除了上述常见的这几种柔性基材外，聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、超纤维玻璃、纳米纤维等因其优良的性能也成为了柔性器件的重要基体材料。

2 高分子基金属氧化物薄膜

2.1 制备方法

由于柔性基体耐温性低，在制备高分子基金属氧化物时，可以采用物理法，通过溅射、离子束和热喷涂的方式在高分子基体上制备一层半导体薄膜。常见的方法有磁控溅射沉积法、离子束沉积法、喷雾涂覆法和丝网印刷法等，另外，也可以采用化学热分解的方式在柔性基材上生长薄膜材料。常见的化学方法有液相沉积法、溶胶-凝胶法、激光化学气相沉积法等。

2.2 高分子基柔性光电器件的研究现状

柔性基体光电功能材料具有良好的延展性和柔韧性，可裁剪性、成本低、利于大规模工业化生产，是对传统光电器件的拓展和延伸，进而给光电器件的发展带来了革命性的变化，这已经在新一代显示技术、光伏、传感器，光催化和电磁屏蔽等领域展现出巨大的应用价值。越来越多的科研人员和资源投入到柔性器件的研究中来，研究成果多不胜举。下面总结了以PET、PI等为基底的柔性器件的研究现状。

有机薄膜晶体管具有质轻、价廉、柔韧性好等优点， 在有源显示、传感和逻辑电路等领域有十分广阔的应用前景。目前，有机薄膜晶体管中存在的主要问题和研究方向是如何获得高迁移率、高开关比、低阈值电压和良好的稳定性。Sungmi Yoo先在全芳族PI基底上利用旋涂法沉积了AlO2薄膜，再利用低温退火沉积了ZnO薄膜，制备出晶体管。这次实验测得场效应迁移率最低为0.11 cm2/v·s，开关比为1.8×105.Su Jeong Lee研究小组以PI为薄膜基底，用YOx夹层使表面更加光滑，并提高底物与活性层之间的界面条件。用In2O3薄膜作为高性能和透明的半导体层，制备了可折叠的In2O3晶体管，经测定，其光学透过率为86.06%，电荷载子迁移率为7.12 cm2/v·s，开关比为5.53×105.

柔性薄膜太阳能电池可弯曲、便于携带等，在可穿戴和智能机器方面有巨大的应用前景。Elias Stathatos小组采用层层沉积的方法，控制了基材的成形和退火温度，并在低温下完成了TiO2纳米晶体太阳能电池的制备，总效率达到5.3%.同样的，THaijun Su小组在制备染料敏化太阳能电池时，在FTO玻璃上高温制备Ni薄膜层，并巧妙地使用薄膜层转移的方法，利用热压法配合树脂作为黏合剂，在140 ℃的低温下完成了Ni-PET柔性基底的制备。经测试，Ni-PET薄膜表面电阻为0.18 Ω/cm2，太阳能电池的转换效率为7.89%.

柔性传感器结构形式灵活多样，在电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品和航空航天中有重要应用。詹爽等人将PI作为柔性基底，将SnO2—PDDAC 作为敏感材料，它在常温下即能达到使用需求，打破了以往传感器需要加热的束缚，制备出了室温柔性乙醇气体传感器。该SnO2—PDDAC 传感器在室温下对乙醇有较好的响应特性，乙醇浓度的检出限为10×10-6.对于1.50×10-4 的乙醇气体，SnO2—PDDAC 传感器的响应为71.6%，SnO2传感器的响应灵敏度为15.5%，SnO2—PDDAC传感器比SnO2传感器具的响应更高。

3 结论与展望

通过对基体材料表面改性、特殊结构设计和特定制备手段的研究，科学家已经在PI、PET、PDMS和超薄柔性玻璃等柔性基体材料的基础上制备出具有特定光电功能的柔性电子器件。这些器件展现出良好的耐延展和弯曲性能，大大拓展了电子器件的使用范围，并将进一步影响电子器件的设计理念，进而引起新的技术革命。当然，柔性电子还面临使用寿命低、效率有待提高、延展性和柔韧性需要进一步改善等问题。此外，未来柔性电子器件需要寻找更有效的方法改善柔性基体与功能单元之间的结合问题，而在大变形的情况下延长器件的使用寿命是未来的主要研究方向。

参考文献

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〔編辑：白洁〕