柔性透明电子器件的进展

于雪梅 陈林洋 刘晓燕 管鹏飞

摘 要 本文简要介绍了当前柔性透明电子器件的研究情况，着重对柔性储能器件与柔性透明导电材料进行了综述，并对柔性透明电子器件的未来发展进行了展望。总体来看，柔性透明电子器件的主要发展方向之一是从多维多尺度角度进行结构设计、控制与优化，同时提升器件变形能力、透光能力以及储能能力，以适应工业化生产需要。

【关键词】柔性 透明 储能 电子器件

1 概述

柔性电子器件是将由有机/无机复合薄膜制备的电子器件沉积在柔性或者可拉伸的高分子或金属薄膜基板上，从而获得具有可变形能力的柔性电子器件的新兴电子技术。与传统电子器件不同，该技术使电子器件具有可变形能力，因此可以极大地拓宽电子器件的应用领域。

目前，柔性透明电子器件的研究十分活跃，并带动许多相关学科的发展。发达国家已经纷纷制定针对柔性透明电子器件的重大研究计划，并投入巨资重点支持柔性电子器件的制备及其基础研究。2011年美国斯坦福大学的崔屹研究小组首次制备了透明的锂离子电池，可以为下一代全透明的电子器件提供能量来源（见图1（a））。同一年，美国莱斯大学的Ajayan研究小组又成功研发了透明超级电容器。2012年，韩国的三星公司更是展示了其全透明的柔性手机（见图1（b））。

柔性储能器件与柔性透明导电材料的制备是柔性透明电子器件研发的两大核心技术。柔性储能器件为柔性电子器件的运行提供能量来源；而柔性透明导电材料则能解决传统导电透明材料（例如ITO）的脆性问题。近年来，在柔性储能器件和导电透明材料两个方面都开展了较为广泛的研究，特别是随着高性能纳米材料及其相关技术的出现和兴起，在利用纳米材料及纳米技术制备具有优良性能的柔性储能器件，以及提升透明导电材料的功能性方面都取得了重大进展，

2 柔性储能器件

目前，关于柔性储能器件的研究主要是集中在如何提高储能器件的力学变形能力和电化学储能能力两个方面。目前柔性储能器件的主要制备方法是将电极材料沉积或转移到具有优越拉伸能力的高分子基底上，并经过一定的技术处理以保证电极材料与弹性基底具有良好的界面结合力，最终实现柔性储能器件的制备。

2009年，Wei报道了以屈曲的碳纳米管薄膜作为可拉伸的储能器件，在保持储能性能不衰退的前提下实现了30%的最大拉伸应变（见图2（a））。除了利用屈曲之外，弹簧状的螺旋结构也被用于制备可拉伸储能器件。2013年，复旦大学的彭慧胜教授研究小组提出将纤维状电极以螺旋的方式旋转在高分子橡胶纤维上，制备的超级电容器拥有优越的拉伸性能（见图2（b））。2013年，美國伊利诺伊大学香槟分校的Rogers研究小组，利用“弹出式”的结构设计方法，制备了可以任意弯曲、伸展和扭转的锂离子电池（见图2（c））。

目前研究的核心思想就是如何通过电极材料的微观结构设计，使得柔性储能器件在变形时，电极材料本身并不承受太大的应变。在提升柔性储能器件的储能能力方面，主要是通过引入膺电容材料与碳纳米材料进行复合。例如，2009年Cheng将石墨烯与聚苯胺结合制备了可弯曲柔性超级电容器，其比电容值可达233 F/g。2012年，Xie等人将石墨烯与二氧化锰复合，制备了具有弯曲能力的超级电容器，其比电容值可以达到267 F/g 。

3 柔性透明导电材料

对于柔性透明导电材料的研究主要集中在超薄连续导电膜和网状导电结构两个方面。对于超薄连续导电膜，研究的热点在于如何制备高质量、大面积的单层或少层石墨烯及其转移技术上。目前利用化学气相沉积（Chemical vapor deposition，CVD）技术生长高质量大面积石墨烯已经取得了长足进步，其应用瓶颈在于如何在保证不损伤石墨烯的前提下，进行大面积、高效地转移到任意基底上。2009年，美国德州农机分校的Ruoff研究小组，首次提出利用PMMA对CVD石墨烯进行转移，制备了导电能力和透光率分别达到了2000 Ω□-1和97%的透明导电薄膜。韩国的KAIST研究院将生长石墨烯的CVD工艺与可连续化操作的轧辊法相结合，通过热剥离胶带，高效快速地制备了尺寸达到30英寸，导电能力和透光率分别达到125 Ω□-1和97.4%（见图3（a））的透明导电薄膜。在超薄连续导电膜应用于柔性透明储能器件方面，2013年，美国凯斯西储大学的戴黎明研究小组首次报道了利用石墨烯作为电极制备柔性透明超级电容器，其基本思路是：利用预先经过褶皱处理的铜箔作为基底，生长了具有微观褶皱形态的石墨烯，并直接将其用于可拉伸透明超级电容器的制备，其拉伸能力可以达到40%，透光率可以达到57%，储能能力达到5.8 μFcm-2（见图3（b））。应该指出的是，上述单位面积储能值远小于常规结构的超级电容器（mFcm-2数量级）。

随着一维纳米材料的制备和分散技术的提高，在利用网状导电结构作为导电透明材料方面也取得了很大进展。2004年，美国佛罗里达的Rinzler研究小组，利用过滤和转移的方法，制备了单壁碳纳米管柔性导电透明薄膜，其对可见光的透光率可以达到70%以上，同时导电能力可以达到30Ω□-1。2009年，爱尔兰三一学院的Coleman研究小组利用银纳米线，通过过滤和转移的方法制备的柔性透明导电器件，其透光率可以达到90%，电导率可以达到2×105S/m。美国华盛顿大学的夏幼南研究小组系统地研究了利用银纳米线制备的导电透明材料，其导电能力可以达到20Ω□-1，透光性达到95%。美国杜克大学的Wiley研究小组，在2014年报道了利用铜纳米线制备的导电透明材料，其透光性和导电能力分别达到95%和<100Ω□-1。值得指出的是，利用一维纳米材料制备的导电网络是无序的，该导电网络的透光性会随着导电层厚度的增加而迅速降低，因此当用纳米线来制备透明柔性储能器件时，其单位面积上的储能能力仍然会受到透光性能要求的极大限制。2015年，韩国的KAIST研究小组，利用激光在铜箔上烧蚀密集分布的小孔阵列，从而形成导电透明结构，其导电能力和透光率分别可以达到17.48 Ω□-1和83%，而且透光率并不受所用铜箔的厚度影响。

4 展望

隨着集成电子电路的发展，无论是对柔性储能器件的结构形态、储能能力，还是对透明导电材料的透光能力、导电能力都提出了愈来愈高的要求。实际上，柔性透明电子器件是将柔性储能器件的功能与柔性透明导电材料的功能合二为一，从材料设计角度而言，需要兼顾柔性储能和导电透明这两大功能的优化条件，从而取得更佳的综合性能。因此，从多维多尺度角度进行结构设计、控制与优化，同时提升器件变形能力、透光能力以及储能能力是高性能柔性透明电子器件未来研究的一个重要方向。

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作者單位

淮海工学院机械工程学院 江苏省连云港市 222005