柔性可穿戴传感器及大面积阵列制造新方法

柔性可穿戴传感器作为穿戴式电子系统的重要组成部分,在个人健康监护、人机交互体系以及人造电子皮肤等领域具有广阔的应用前景,是当下最前沿的研究领域之一。文章概要介绍了不同类型的柔性可穿戴传感器的研究现状,简略归纳了柔性传感器中的关键技术参数,同时对柔性传感器大面积阵列制造所面临的挑战及新方法进行了阐述和分析,最后展望了柔性传感器未来的发展趋势。     

柔性可穿戴传感器及大面积阵列制造新方法

柔性可穿戴传感器作为穿戴式电子系统的重要组成部分，在个人健康监护、人机交互体系以及人造电子皮肤等领域具有广阔的应用前景，是当下最前沿的研究领域之一。文章概要介绍了不同类型的柔性可穿戴传感器的研究现状，简略归纳了柔性传感器中的关键技术参数，同时对柔性传感器大面积阵列制造所面临的挑战及新方法进行了阐述和分析，最后展望了柔性传感器未来的发展趋势。     

导电微纤维的微流控制备及其在柔性电子领域的应用

柔性电子是一种新兴的电子技术.近年来,随着电子材料研究的深入,柔性电子已成功地与多个学科领域结合,成为跨学科研究的热门领域之一.与传统的刚性电子产品相比,柔性电子在轻便性、生物相容性、可穿戴性、机械稳定性和灵活性等方面展现出极大的优势.而纤维材料作为柔性电子系统的基础结构之一,其具有质量轻、机械柔韧性好、功能性多样的优点,在柔性电子膜、纺织品、可穿戴设备等多个行业中发挥着重要作用.在多种纤维制备方式中,微流控可以实现对微通道流体的精准操控,被证实可以实现多样化结构微纤维的制备.随着理论研究的深入和技术工艺的革新,微流控技术被认为是一种经济而有力的用于制造柔性导电微纤维的工具,并推动了其在柔性电子器件如传感器、储能器等方面的应用.因此,本文首先总结微流控纺丝技术在导电微纤维制备领域的研究进展,包括实心结构、核壳结构及多组分结构微纤维的制备;然后,重点介绍导电微纤维在传感、能量存储、组织工程等柔性电子领域的应用进展;最后,针对导电纤维用于柔性电子领域将面临的挑战和发展方向进行展望.     

机器学习在可穿戴智能传感系统中的应用与进展

近些年,随着传感器和集成电路制造工艺的高速发展,可穿戴设备的应用越来越多;同时,利用人工智能和机器学习方法来辅助和促进可穿戴系统的应用也得到了广泛的研究.机器学习辅助的可穿戴智能传感系统可以跟踪监测人体活动和生命体征信号,在人机交互、数字健康乃至临床诊断等领域具有重要的应用前景.本文详细介绍和讨论了近期可穿戴传感器件、机器学习算法及其辅助可穿戴传感应用等研究进展,并探讨了机器学习辅助的可穿戴传感系统面临的挑战,总结了有待改进之处.同时,本文也针对机器学习在可穿戴传感系统中的进一步应用提出了潜在的解决方案和可能的发展方向.     

基于高电导率石墨烯膜的低功耗柔性应变传感器

<正>人们往往通过感觉器官(如眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤等)获得外界信息.然而,随着科技的日益发展,人体的感官已经不能满足生产活动中高精度测量的应用需求,各类型的传感器应运而生.作为传感器的一个分支,应变传感器用于定量探测物体表面的变形,在可穿戴电子设备、机器人、人体健康监护系统、语音康复训练系统等领域,展现出巨大的应用潜力.应变传感器可以分为电容式、压电式、电阻式、摩擦生电式四种类型[1].     

本征柔性有机电子器件的研究进展

本征柔性有机电子学是近年来涌现的一项变革性的前沿交叉学科,它赋予电子材料可印刷、可折叠和可拉伸等特性,使其应用于健康医疗、柔性显示、传感探测、人工智能和脑机接口等前沿领域.为了进一步拓展本征柔性有机电子器件的应用场景,设计开发高性能、高显示度、高稳定性的本征柔性材料和有机电子器件是当前的研究重点.本文主要介绍了近年来本征柔性有机电子学相关领域的前沿研究进展,重点讨论了本征柔性材料与有机电子器件的设计和制备策略、本征柔性材料图案化工艺和集成电路,分析了本征柔性有机电子学领域的技术瓶颈和前沿问题,总结和展望了本征柔性有机电子器件的应用前景与未来发展趋势.     

基于褶皱结构的可拉伸有机电致发光器件研究进展

近年来,随着柔性和可穿戴电子设备的发展,人们对可拉伸设备的需求不断提升,促进了可拉伸电子器件的快速发展.可拉伸显示器在可拉伸电子设备中起到信息传递和人机交互的作用,是可拉伸电子设备的重要组成部分.可拉伸发光器件作为可拉伸显示器的核心组成部分之一,受到广泛关注.随着材料、工艺和器件结构设计的不断发展与进步,可拉伸发光器件的研究得到快速发展,多种策略被开发出来用于实现器件的拉伸性,且器件性能显著提高.其中,基于褶皱结构的可拉伸有机电致发光器件因其优异的光电性能和机械拉伸性而在可穿戴电子设备、电子皮肤、智能服装等领域展现出较大的应用潜力,成为制备可拉伸显示器的候选器件之一.本文对基于褶皱结构可拉伸有机电致发光器件的研究进展进行综述,首先介绍了褶皱结构的形成机制及相关的理论,然后对褶皱结构型可拉伸有机电致发光器件按照拉伸维度和褶皱有序性进行分类,总结了不同类型器件的设计思路、制造方案和器件性能特点.最后,简要讨论了褶皱结构可拉伸有机电致发光器件存在的一些挑战及对未来的展望.     

自愈合柔性储能器件研究进展

柔性储能器件由于具有可弯曲、折叠、拉伸等特点而广泛应用于智能皮肤及柔性可穿戴器件等领域.但是储能器件在柔性变形过程中会导致电极材料产生微裂纹甚至脱落,显著降低储能器件的电化学性能及使用寿命.自愈合的柔性储能器件通过在材料中引入愈合剂或者可逆化学键,致使材料在发生机械损伤时自动愈合,恢复材料的微观机械结构及电导率,进而实现储能器件的机械柔韧性及电化学性能的修复.本文总结了自愈合机理,针对柔性储能器件主要介绍了基于可逆非共价键及共价键诱导的具有自愈合功能的柔性电极、电解质、基底和封装材料的发展现状,最后总结探讨了自愈合柔性储能器件所面临的挑战及未来发展方向.     

液态金属生物医学研究进展

液态金属作为一种功能性材料已经广泛应用于电子、机械工程和能源等多个领域.低熔点的性质使液态金属保持金属性质的同时,具有室温流体的特性,这种特性成为了它最迷人的性质.液态金属还拥有许多其他优异的性质,如可变形、可功能化、导电导热及生物安全性,并在多种生物医学应用中拥有巨大潜力.本文首先介绍液态金属的基础结构与理化性质,如低熔点、表面自限制氧化等,这些性质为其应用奠定了基础.随后,本文从药物载体、肿瘤治疗、生物成像及医疗器械4个方面简要总结液态金属在生物医学领域的应用进展.最后,从提升液态金属纳米液滴尺寸均一性、深入研究其与生物系统和组织的相互作用、优化封端配体、基于液态金属的柔性可穿戴诊疗一体化医疗设备的发展及3D打印等领域,讨论了液态金属在生物医疗应用中未来的前景和发展方向.     

二氧化钛纳米管阵列的制备、性能及传感应用研究

综述了二氧化钛纳米管尤其是在含F?电解质中应用阳极氧化法制备的高度有序二氧化钛 (TiO₂) 纳米管阵列的制作、性能及应用. 详细讨论了影响纳米管生长、纳米管尺寸和形貌的各项参数, 如电解液, pH值和电压等. 二氧化钛纳米管阵列良好的生物兼容性、大的比表面积、纳米管孔径方便可调, 以及纳米管阵列内优异的电子传输特性都使其成为气体传感和生物传感领域理想的基底材料. 以二氧化钛纳米管阵列为基底构建的氢气、氧气、湿度传感器及葡萄糖、过氧化氢生物传感器都展示了较低的检测下限, 良好的稳定性、重现性和极高的灵敏度.     

纸基和类纸基柔性薄膜器件研究进展

近年来,柔性薄膜器件得到了蓬勃的发展,尤其是纸基或类纸基的器件由于具有低成本、柔性、多孔性、自发的液体驱动性等独特的优势,在生物、化学、物理、材料等领域都已得到了广泛的应用.得益于纸基和类纸基(柔性基质材料和光子晶体纸)等膜材料的快速发展,许多多功能、高集成的膜基器件得以问世,使得传统纸张与其他薄膜材料之间的严格界限也逐渐变得模糊.传统纸张可以被认为是一种柔性的薄膜材料,而具有适当柔性或多孔结构的薄膜材料也可以被定义为"纸".纸基和类纸基材料可以驱动液体和调控电子,制作出来的柔性薄膜器件可以用于生化分析器件和复杂的微电子器件.本文较为全面地对传统纸张以及其他柔性薄膜材料所制作的柔性薄膜器件的历史发展和最新进展进行了总结,包括纸基和类纸基柔性膜的制备方法、对微流体和电子的操控和基于这些操控所衍生出来的多元化应用.     

“原位生长”阵列化薄膜助力高效柔性太阳能电池

<正>有机-无机杂化钙钛矿材料具有高的光吸收系数(10~5cm~(–1))、大的电子/空穴扩散长度(高达1μm)、带隙易于调节(1～2.5 eV)、较小的激子结合能(约40 meV)、可进行低成本的溶液加工等特性,使得钙钛矿太阳能电池在过去十年得以快速发展.目前,钙钛矿太阳能电池的最高效率已经超过25%,且稳定性也得到了很大的提高,有望获得实际应用.由于其与柔性可穿戴电子器件的兼容性,基于柔性基底的钙钛矿太阳能电池正引起社会的广泛关注,器件性能也不断提高.虽然一维(1D)纳米阵列能有效减少太阳光损失、抑制电子复合、促进载流子的分离和传输,从而增强     

基于高电导率石墨烯膜的低功耗柔性应变传感器

人们往往通过感觉器官(如眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤等)获得外界信息.然而,随着科技的日益发展,人体的感官已经不能满足生产活动中高精度测量的应用需求,各类型的传感器应运而生.作为传感器的一个分支,应变传感器用于定量探测物体表面的变形,在可穿戴电子设备、机器人、人体健康监护系统、语音康复训练系统等领域,展现出巨大的应用潜...     

织物电子器件及系统的发展现状、科学问题、核心技术和应用展望

织物电子学研究对象是具有产生、传输、调制或测量等电子功能的纤维或纤维集合体.织物电子系统通常由织物电子器件和微电子器件混合互补集成而成.它们作为可穿戴系统的一个重要分支,可为人类提供多种功能,如感知、驱动、自适应、交流、自我修复、记忆、学习等,而不影响系统本身的服用性.本文从织物电子器件和系统的定义出发,阐述了不同类别织物电子器件的发展现状,提出织物电子器件和系统的一些关键科学问题,如功能材料结构与性能的关系、织物电子器件和系统集成的多物理过程、评价系统及安全问题等.并结合在研发织物电子可穿戴系统及实施工程化产业化过程中的切身体会,介绍织物电子器件和系统方面的核心技术及其应用前景.重点对织物电子器件或系统在医疗健康、运动监测、智能防护及增强现实/虚拟现实4个方向的应用及其应用前景进行分析.     

柔性及半透明钙钛矿太阳能电池

近几年来,有机-无机杂化的钙钛矿太阳能电池的效率突飞猛进,仅仅4年时间里,基于这类材料的固态太阳能电池效率已经达到了经过认证的22.1%.该效率能够与商用的硅基太阳能电池相媲美,并且已远超有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池的效率.除了可观的效率,相较于其竞争对手,该类材料具有适应于低温/空气中的溶液处理的能力以及更好的柔性,使其在大规模制备上具有成本优势以及能更好地应用于可穿戴电子设备的能力.本文聚焦于柔性及半透明钙钛矿太阳能电池近期的发展.在柔性钙钛矿太阳能电池方面,讨论了两种主要的器件结构:平面型及纤维型;而在半透明钙钛矿太阳能电池方面,则讨论了两种主要的构造策略:减少膜厚及形成孤立的岛状结构.鉴于该类材料的优势和特性,我们可以确信其在柔性及半透明太阳能电池领域的应用潜力,而这些应用也将进一步推动基于该类材料的太阳能电池的发展.     

可延展柔性无机电子器件的结构设计力学

传统的电子器件都是基于无机半导体材料(例如硅),由于其硬、脆的性质使电子器件不能变形,无法满足下一代电子器件在形状可变性尤其是人体适用性上的需求.为突破这一瓶颈,近年来基于无机半导体材料的可延展柔性电子器件凭借其优异的适应变形的能力(可弯曲、扭转、伸缩等)极大拓展了传统无机电子器件的应用范围,备受学术界和电子产业界的瞩目.这种具有可延展柔性的电子器件主要是通过力学结构设计的方法,将无机半导体电子器件置于柔性基体上以实现整体的可弯曲及可延展.本文综述了近年来可延展柔性无机电子器件的结构设计发展,主要针对两类主要的可延展柔性结构:波纹结构和岛桥结构,对其力学设计原理和实验结果进行综述,不仅揭示了其变形机理,更重要的是为优化结构设计提供了理论依据.     

具有钙钛矿结构的分子铁电体研究进展

铁电材料是一类重要的功能性材料,由于其特殊的可翻转的自发极化,铁电材料在能源、信息、传感、医学等领域都有着广泛的应用.自20世纪以来,具有钙钛矿结构的铁电材料由于其优异的性质一直活跃在应用的舞台上,而其中应用较为广泛的几乎都是无机钙钛矿材料.近年来,随着科学技术的发展,人们发现了众多具有钙钛矿结构的分子铁电体.这些新型的分子铁电体具有较低的声阻抗、容易进行结构设计和调控、容易实现多种功能特性等优点,有望在柔性电子学、薄膜器件等应用中成为无机钙钛矿铁电材料的有益补充.本文结合分子钙钛矿铁电体的设计思路,对近年来其在压电、能隙调控、光电等功能特性方面取得的进展进行了介绍.     

石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景

随着具有变形功能的移动电子设备的出现和发展,为其供电的可变形、柔性锂离子电池近年来受到广泛关注.柔性锂离子电池一般指具有可逆弹性变形能力,同时可正常工作的锂离子电池.按照变形难易程度,大部分研究中的柔性锂离子电池,均指可弯折柔性锂离子电池.本文总结了石墨烯在可弯折柔性锂离子电池领域的进展情况.石墨烯具有很高的电子电导率,可将石墨烯附着于高分子、纸、纺织布等柔性基底上,利用基底提供柔性支撑、力学性能,石墨烯提供导电网络,形成石墨烯/柔性基体复合结构.利用石墨烯的二维柔性结构及表面官能团,与其他材料复合,能够制备出一体化石墨烯复合柔性电池电极.石墨烯柔性复合材料作为电极时,能够提高电池的整体能量密度,因此具有更广阔的发展前景.本文同时介绍了柔性锂离子电池的力学特性和电化学性能表征方法,并对柔性锂离子电池的未来发展方向进行了预测.柔性锂离子电池发展趋势是提高其变形能力,并赋予柔性锂离子电池一定的可拉伸性能,以使其适应各种复杂应用;新型柔性锂离子电池也将具有自修复和快速充电能力;未来同时将研究喷涂或打印等新型柔性电极的制备和器件优化设计.虽然仍然存在尚待解决的问题,石墨烯柔性锂离子电池经过适当的电化学性能和力学性能改进,将在移动电子领域得到广泛应用.     

基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜研究进展

随着电子器件的便携化发展,柔性电子器件越来越引起人们的关注.透明导电薄膜同时具有良好的导电性和光学透过性,已作为电极被广泛应用于光电功能器件领域.然而,目前普遍使用的透明导电材料氧化铟锡(ITO)由于含有储量有限的铟元素而存在成本高的问题,并且由于氧化物本身的脆性,其所制薄膜的柔性也不理想,并不能完全满足目前柔性电子器件的发展要求.因而,对于可替代ITO的其他廉价、可大量制备、具有优异性能的柔性透明导电薄膜的研究近年来受到研究者的广泛关注.碳纳米材料因同时具备高的电子传输率、透光率以及良好的机械柔性可以满足目前柔性电子器件的应用需求,此外,碳纳米材料更具备来源广泛、制备方式灵活多样等特有优势,可以降低材料和生产成本,因而更具有实用价值.本文简要综述了近几年基于碳纳米材料(以碳纳米管和石墨烯为主)的柔性透明导电膜的研究工作,结合材料制备和性能调控以及薄膜制备(特别是连续化制备)的方法,阐述了该领域最近的研究成果及应用,最后简要讨论了基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜目前存在的问题及可能的发展方向.     

广义布洛赫方法的应用:低维材料物性的非均匀应变调控

低维材料的结构灵活性以及它们的电子性质对应变灵敏的响应,使得应变调控成为优化低维材料物性的一个重要手段.本文主要介绍了非均匀结构变形下低维材料物性调控的量子力学模拟方法,即广义布洛赫方法.通过考虑螺旋和旋转对称性,广义布洛赫方法能够以较小的计算代价处理扭曲和弯曲两种基本的非均匀结构变形.本文还介绍了该方法的一些具体应用.由于扭曲和弯曲涉及低维材料在多方面的应用,如挠曲电、柔性电子学、自旋电子学等,广义布洛赫方法在这些方面能发挥重要作用.