基于柔性薄膜的电子器件的设计制备与发展

（PNAS 105: 18675-18680, 2008）
电子路板的延展性高达 140% 可扭转、弯曲
研究进展：可延展柔性无机电子器件
大脑上超柔的电路
1 cm 75mm
（Nature Materials 9: 511-517, 2010）
25mm
unwrapped 2.8mm
2.8mm
unwrapped
器件或连线
柔性化
二氧化硅 硅 介电质 硅
柔性基体 “柔性”电子器件
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传统 “非柔性”电子器件
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
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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？
如何设计无机薄膜与柔性 基体的集成结构？
pre 研究思路 利用力学屈曲变形使得互 连导线或薄膜出现波浪状
无机薄膜或互连导线
pre
聚合物柔性基体 无机薄膜或互连导线 聚合物柔性基体
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基于分形的互连可展结构 及基体表面微结构布控
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
LED 1mm
1mm
electrode
tactile sensor Catheter Sensors 5mm 500mm deflate inflate rabbit heart 500mm electrode
electrode
5 mm
temp sensor
lesion electrode lesion
将电子元件转移印刷到曲面上，实现与人眼相似的功能，同 时通过内压的调控微调镜头曲面的曲率，实现镜头的缩放。
研究进展：可延展柔性无机电子器件
多功能医用导管
Device Integration onto catheter ACF film 1
（Nature Materials 10, 316-323, 2011）
ACS Nano 2011
实现了波浪构型的柔性可延展铁电薄膜器件制备。 自2011年发表以来被引用10次。
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研究进展：柔性结构破坏的大变形分析理论
理论和实验分了柔性结构界面破坏的三 种模式及其演化趋势 Adv. Func. Mater. 2008
从断裂力学角度提出了界面滑 移破坏的的表征方法 Appl. Phys. Lett., 2010
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
研究进展：可延展柔性无机电子器件
柔性无机μLED
（Science 325: 977-981, 2009）
通过力学机理设计的柔性无机mLED具比有机LED具有更高的亮 度、更长的寿命； 比传统无机LED具有更低的成本和高的延展性。
研究进展：可延展柔性无机电子器件
可延展柔性电路板
(Science 320:507-511, 2008)
可供生物集成电子器件的半导体材料
Science (2001) PNAS (2001)
?
a-Si poly-Si 10 100 Si GaAs 1,000 10,000 1
0.1
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
7.0mm
wrapped wrapped 0.3 cm 75mm wrapped
电路的柔性使得其在湿润的条件 下与大脑不规则表面实现非常好 的全面接触
研究进展：可延展柔性无机电子器件
可调电子眼
（Nature 454, 748-753, 2008） （PNAS 108(5), 1788-1793, 2011）
研究进展：可延展柔性无机电子器件
可延展柔性电池
(NATURE COMMUNICATIONS 4:1543, 2013)
高达 200％-250% 的延展性
研究进展：可延展柔性无机电子器件
可延展柔性电池
(NATURE COMMUNICATIONS 4:1543, 2013)
研究进展：柔性电子器件的制备和集成方法
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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：
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
转印机理
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
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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
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 5 不能利用有机半导体实现高频高速特性！
无机电子器件可伸展柔性的重要意义
分析了波浪构型的柔性结构薄膜 屈曲的形貌和演化趋势。 Appl. Phys. Lett., 2011
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基于柔性薄膜的电子器件 设计制备与发展
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
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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 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 导线可靠性评估 薄膜/基体系统的稳定性与可 靠性
大变形
裂纹
滑移
L-dL
界面强度在大变形情况下的演 化及失效过程
脱粘
科学贡献：高速可延展无机薄膜器件互连导线延迟机理
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 信 息 制 造 业 收 入 在
18 15 12 9 6
碳纳米管:
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 Si
mother wafer: Si
pre dL L
PDMS
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
科学难点 如何实现脆性薄膜与柔性 基体的转印集成？ 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
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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 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
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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
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
9
GDP
20000 0
4 0 2008 2009 2010 2011 2012
二、面临的技术挑战
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高速柔性薄膜电子器件设计制备与集成的挑战
难点与挑战：
基于无机薄膜的电子器件可延 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？
器件或连线
柔性无机微纳电子器件原理 Flexible ICs
electronics
front side tattoo after transfer
backside of tattoo
after integration onto skin
after deformation
仿表皮的的电子原件具有与皮肤相近的模量，在无需外加粘结剂的 情况下，在各种工况下（褶皱、弯曲）与人体皮肤保持很好的的接触。
技术突破：薄膜器件稳定性和失效准则
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三、国内的情况和研究条件
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研究进展：可延展柔性无机电子器件
柔性无机μLED
（PNAS 105: 18675-18680, 2008）
通过力学机理设计的柔性无机mLED具比有机LED具有更高的亮 度、更长的寿命； 比传统无机LED具有更低的成本和高的延展性。
CPDMS
多功能医用导管利用结构的高延展性（高达100％），实现了 将多种功能的芯片集成于导管头上，减小了微创手术的创伤。
研究进展：可延展柔性无机电子器件
仿表皮的柔性电子器件
（Science 333, 838-843, 2011）
bare skin
skin patch
deform relax
electronics 0.5cm tattoo
新生婴儿护理与健康监测
现在
未来采用柔性电子技术
4 14, 113 (2012). Ann. Rev. Biomed. Eng.
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)
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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：
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 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
岛-桥构型
？？图
自相似导线
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
中 比 3 重 （ 0 ％ ）
电 子 信 息 制 造 业 收 入 （ 亿 元 ）
2008 2009 2010 2011 2012
100000 80000 60000 40000
28 24
增 20 长 率 16 （ ％ 12 ）
8
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。
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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 大变形情况下柔性/刚性界面对高 速薄膜器件电子学性能的影响
柔性基体上集成薄膜结构的应变 空间分布对电学性能的调控机理
科学贡献：界面对高速薄膜器件电子学性能的调控机理 技术突破：电-力-热多场耦合性能表征方法