柔性传感技术概述
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17
2.高速柔性薄膜器件的高效、大规模转印集成技术研究
研究内容：
转印机理
柔性基体表面微结构设计实 现界面粘附力调控的机理
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的转移 印刷集成方法
大规模转印
科学贡献：基于界面可控粘附的转印理论与集成方法
技术突破：实现高效高成品率的转印技术
9
二、面临的技术挑战
10
高速柔性薄膜电子器件设计制备与集成的挑战
柔性无机微纳电子器件原理
难点与挑战：
基于无机薄膜的电子器件可延
Flexible ICs
展柔性化？
如何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？
二氧化硅 硅
器件或连线
柔性化
介电质
柔性基体
传统 “非柔性”电子器件
如何设计无机薄膜与柔性 基体的集成结构？
无机薄膜或互连导线
研究思路
pre
pre
利用力学屈曲变形使得互
聚合物柔性基体
连导线或薄膜出现波浪状
无机薄膜或互连导线
基于分形的互连可展结构 及基体表面微结构布控
聚合物柔性基体
13
科学问题二：高速柔性薄膜器件的转印实现 及其界面物理机理
科学难点
如何实现脆性薄膜与柔性 基体的转印集成？
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 效率达到60%，使用寿 命达到50000小时以上
（Kim等2010年报道）
有机电子器件的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性！ 5
无机电子器件可伸展柔性的重要意义
高的电子迁移率, 比较稳定 高温生长, 电异质性
Nature (2008) Nature Nano. (2007)
6
高速柔性无机薄膜电子器件设计原理
基本 原理
刚性材料通过 结构化力学设 计实现柔性
PDMS
pre dL L
Si
PDMS
mother wafer: Si
pre
电子学功能部件依然采用无机材料从而保证高速功能 通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
柔性薄膜电子器件设计制备与集 成技术
内容提纲
一、需求与应用 二、面临的技术挑战 三、国内的情况和研究条件
2
可延展柔性化是微电子器件的革命性发展方向
过去
现在
未来
工业需求
个人需求
生物集成需求
PNAS 106, 10875 (2009). Science 327, 1603 (2010).
电子器件可伸展柔性的重要意义
新生婴儿护理与健康监测
现在
未来采用柔性电子技术
Ann. Rev. Biomed. E4ng. 14, 113 (2012).
有机柔性电子器件的电学性能发展瓶颈
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National Energy Renewable Laboratory)
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
电子学功能部件依然采用无机材料从而保证高速功能 通过力学及几何设计使得电子器件具备柔性可延展
电子信息产业是国民经济的重要支柱之一
电子信息制造产业在国内生产总值中占有重要的稳定比例
电 子 18 信 息 15 制 造 业 12 收 入9 在
18
3.满足柔性基体集成的高速薄膜器件的微纳制备技术研究
研究内容：
小型化、薄膜器件的外延结构 设计和生长技术
小型化、薄膜器件的器件结构 设计和制备技术
面向精确转印的衬底剥离和微 结构支撑技术
衬底剥离后的微支撑结构
科学贡献：薄膜材料的微型化设计和制备研究
技术突破：满足转印的衬底剥离技术和微支撑结构
如何控制大变形下无机薄 膜/柔性基体间的界面失 效？
研究思路
调控无机薄膜/柔性基体 界面的粘附特性
大变形
异质界面
柔性器件
利用断裂力学确定界面失 效准则
14
科学问题三：柔性环境下无机薄膜器件的 高速电子学性能与退化机理
科学难点
如何保证可延展柔性环境 下无机薄膜的电学性能及 其可靠性？
研究思路
通过理论分析无机薄膜在 变形下的电学性能
6
中
比3
重
（ ％
0
2008
2009
2010
2011
2012
）
电100000
子
信 息
80000
制
造 60000 业
收
入 40000
（
亿
元 20000
）
0 2008
2009
2010
2011
28
24 增
20
长 率百度文库
16 （ ％
12 ）
8
4
0 2012
GDP
电子信息制造业一直保持增长，但增长率在降低，高速
柔性电子技术能够促进信息产业革新和升级。
⑤ 具有柔性互连导线的高速薄膜器件的延 迟机制与可靠性研究
16
1.力学介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化设计研究
研究内容：
岛-桥构型
集成电路的可延展柔性化设计 原理
互连导线自相似结构的大变形
机理
自相似导线
无机薄膜应变隔离的新原理及
其实现方法
可延展柔性集成电路的仿真分 析
？？图
科学贡献：基于力学屈曲变形的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的优化设计方法
通过实验与理论计算结合 方式确定多场耦合作用下 的无机薄膜的电学性能
15
主要研究内容
① 力学介入的可延展柔性高速薄膜器件集 成化设计研究
② 高速柔性薄膜器件的高效、大规模转印 集成技术研究
③ 满足柔性基体集成的高速薄膜器件的微 纳制备技术研究
④ 柔性/刚性异质界面对高速薄膜器件集成 及电子学性能的调控机理研究
19
4.柔性/刚性异质界面对高速薄膜器件集成及电子学 性能的调控机理研究
研究内容：
电-力-热等多场耦合下的薄膜器 件性能基本参量的实验表征方法
器件或连线
硅
“柔性”电子器件
11
关键科学问题
高速薄膜器件的可延展柔性化与集成化设计理论 高速柔性薄膜器件的转印实现及其界面物理机理 柔性环境下无机薄膜器件的高速电子学性能与 退化机理
12
科学问题一：高速薄膜器件的可延展柔性化 与集成化设计理论
科学难点
可延展柔性结构
如何实现脆性无机薄膜器 件的可延展柔性？
可供生物集成电子器件的半导体材料
Science (2001) PNAS (2001)
0.1
a-Si 1
poly-Si
?
Si GaAs
10
100
1,000
10,000
聚合物:
溶液处理工艺 性能较差
小分子材料:
性能接近于a-Si 真空沉积
单晶材料:
需要研究固有的电荷传输； 易碎，集成工艺存在挑战
碳纳米管:
2.高速柔性薄膜器件的高效、大规模转印集成技术研究
研究内容：
转印机理
柔性基体表面微结构设计实 现界面粘附力调控的机理
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的转移 印刷集成方法
大规模转印
科学贡献：基于界面可控粘附的转印理论与集成方法
技术突破：实现高效高成品率的转印技术
9
二、面临的技术挑战
10
高速柔性薄膜电子器件设计制备与集成的挑战
柔性无机微纳电子器件原理
难点与挑战：
基于无机薄膜的电子器件可延
Flexible ICs
展柔性化？
如何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？
二氧化硅 硅
器件或连线
柔性化
介电质
柔性基体
传统 “非柔性”电子器件
如何设计无机薄膜与柔性 基体的集成结构？
无机薄膜或互连导线
研究思路
pre
pre
利用力学屈曲变形使得互
聚合物柔性基体
连导线或薄膜出现波浪状
无机薄膜或互连导线
基于分形的互连可展结构 及基体表面微结构布控
聚合物柔性基体
13
科学问题二：高速柔性薄膜器件的转印实现 及其界面物理机理
科学难点
如何实现脆性薄膜与柔性 基体的转印集成？
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 效率达到60%，使用寿 命达到50000小时以上
（Kim等2010年报道）
有机电子器件的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性！ 5
无机电子器件可伸展柔性的重要意义
高的电子迁移率, 比较稳定 高温生长, 电异质性
Nature (2008) Nature Nano. (2007)
6
高速柔性无机薄膜电子器件设计原理
基本 原理
刚性材料通过 结构化力学设 计实现柔性
PDMS
pre dL L
Si
PDMS
mother wafer: Si
pre
电子学功能部件依然采用无机材料从而保证高速功能 通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
柔性薄膜电子器件设计制备与集 成技术
内容提纲
一、需求与应用 二、面临的技术挑战 三、国内的情况和研究条件
2
可延展柔性化是微电子器件的革命性发展方向
过去
现在
未来
工业需求
个人需求
生物集成需求
PNAS 106, 10875 (2009). Science 327, 1603 (2010).
电子器件可伸展柔性的重要意义
新生婴儿护理与健康监测
现在
未来采用柔性电子技术
Ann. Rev. Biomed. E4ng. 14, 113 (2012).
有机柔性电子器件的电学性能发展瓶颈
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National Energy Renewable Laboratory)
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
电子学功能部件依然采用无机材料从而保证高速功能 通过力学及几何设计使得电子器件具备柔性可延展
电子信息产业是国民经济的重要支柱之一
电子信息制造产业在国内生产总值中占有重要的稳定比例
电 子 18 信 息 15 制 造 业 12 收 入9 在
18
3.满足柔性基体集成的高速薄膜器件的微纳制备技术研究
研究内容：
小型化、薄膜器件的外延结构 设计和生长技术
小型化、薄膜器件的器件结构 设计和制备技术
面向精确转印的衬底剥离和微 结构支撑技术
衬底剥离后的微支撑结构
科学贡献：薄膜材料的微型化设计和制备研究
技术突破：满足转印的衬底剥离技术和微支撑结构
如何控制大变形下无机薄 膜/柔性基体间的界面失 效？
研究思路
调控无机薄膜/柔性基体 界面的粘附特性
大变形
异质界面
柔性器件
利用断裂力学确定界面失 效准则
14
科学问题三：柔性环境下无机薄膜器件的 高速电子学性能与退化机理
科学难点
如何保证可延展柔性环境 下无机薄膜的电学性能及 其可靠性？
研究思路
通过理论分析无机薄膜在 变形下的电学性能
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比3
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入 40000
（
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元 20000
）
0 2008
2009
2010
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24 增
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长 率百度文库
16 （ ％
12 ）
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4
0 2012
GDP
电子信息制造业一直保持增长，但增长率在降低，高速
柔性电子技术能够促进信息产业革新和升级。
⑤ 具有柔性互连导线的高速薄膜器件的延 迟机制与可靠性研究
16
1.力学介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化设计研究
研究内容：
岛-桥构型
集成电路的可延展柔性化设计 原理
互连导线自相似结构的大变形
机理
自相似导线
无机薄膜应变隔离的新原理及
其实现方法
可延展柔性集成电路的仿真分 析
？？图
科学贡献：基于力学屈曲变形的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的优化设计方法
通过实验与理论计算结合 方式确定多场耦合作用下 的无机薄膜的电学性能
15
主要研究内容
① 力学介入的可延展柔性高速薄膜器件集 成化设计研究
② 高速柔性薄膜器件的高效、大规模转印 集成技术研究
③ 满足柔性基体集成的高速薄膜器件的微 纳制备技术研究
④ 柔性/刚性异质界面对高速薄膜器件集成 及电子学性能的调控机理研究
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4.柔性/刚性异质界面对高速薄膜器件集成及电子学 性能的调控机理研究
研究内容：
电-力-热等多场耦合下的薄膜器 件性能基本参量的实验表征方法
器件或连线
硅
“柔性”电子器件
11
关键科学问题
高速薄膜器件的可延展柔性化与集成化设计理论 高速柔性薄膜器件的转印实现及其界面物理机理 柔性环境下无机薄膜器件的高速电子学性能与 退化机理
12
科学问题一：高速薄膜器件的可延展柔性化 与集成化设计理论
科学难点
可延展柔性结构
如何实现脆性无机薄膜器 件的可延展柔性？
可供生物集成电子器件的半导体材料
Science (2001) PNAS (2001)
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a-Si 1
poly-Si
?
Si GaAs
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1,000
10,000
聚合物:
溶液处理工艺 性能较差
小分子材料:
性能接近于a-Si 真空沉积
单晶材料:
需要研究固有的电荷传输； 易碎，集成工艺存在挑战
碳纳米管: