基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展

基于柔性薄膜電子器件設(shè)計制備與發(fā)展基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第1頁2內(nèi)容提要一、需求與應(yīng)用二、面臨技術(shù)挑戰(zhàn)三、國內(nèi)情況和研究條件基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第2頁工業(yè)需求個人需求過去現(xiàn)在未來PNAS106,10875().Science

327,1603().生物集成需求可延展柔性化是微電子器件革命性發(fā)展方向基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第3頁4現(xiàn)在未來采取柔性電子技術(shù)新生嬰兒護(hù)理與健康監(jiān)測Ann.Rev.Biomed.Eng.

14,113().電子器件可伸展柔性主要意義基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第4頁有機(jī)柔性電子器件電學(xué)性能發(fā)展瓶頸5有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率8.3%；無機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率41.1%(美國NationalEnergyRenewableLaboratory)藍(lán)光有機(jī)LED外部量子效率為4.8%，使用壽命小于15000小時；藍(lán)光無機(jī)LED外部量子效率到達(dá)60%，使用壽命到達(dá)50000小時以上（Kim等報道）有機(jī)電子器件電學(xué)性能與無機(jī)電子器件相比，相差數(shù)倍不能利用有機(jī)半導(dǎo)體實現(xiàn)高頻高速特征！基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第5頁無機(jī)電子器件可伸展柔性主要意義6可供生物集成電子器件半導(dǎo)體材料碳納米管:高電子遷移率,比較穩(wěn)定高溫生長,電異質(zhì)性0.11101001,00010,000聚合物:溶液處理工藝性能較差小分子材料:性能靠近于a-Si真空沉積單晶材料:

需要研究固有電荷傳輸；易碎，集成工藝存在挑戰(zhàn)SiGaAsa-Si?poly-SiNature()NatureNano.()Science()PNAS()基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第6頁高速柔性無機(jī)薄膜電子器件設(shè)計原理電子學(xué)功效部件依然采取無機(jī)材料從而確保高速功效經(jīng)過力學(xué)及幾何設(shè)計使得電子器件具備柔性可延展大變形不改變器件電子學(xué)性能基本原理剛性材料經(jīng)過結(jié)構(gòu)化力學(xué)設(shè)計實現(xiàn)柔性SiPDMSL+dLWavySiLLPDMSmotherwafer:Si基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第7頁高速柔性無機(jī)薄膜電子器件設(shè)計原理島橋結(jié)構(gòu)設(shè)計屈曲互聯(lián)導(dǎo)線設(shè)計電子學(xué)功效部件依然采取無機(jī)材料從而確保高速功效經(jīng)過力學(xué)及幾何設(shè)計使得電子器件具備柔性可延展基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第8頁電子信息產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)主要支柱之一9電子信息制造業(yè)收入（億元）增加率（％）電子信息制造業(yè)收入在GDP中比重（％）電子信息制造產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)生產(chǎn)總值中占有主要穩(wěn)定百分比電子信息制造業(yè)一直保持增加，但增加率在降低，高速柔性電子技術(shù)能夠促進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)革新和升級?；谌嵝员∧さ碾娮悠骷脑O(shè)計制備與發(fā)展第9頁10二、面臨技術(shù)挑戰(zhàn)基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第10頁柔性無機(jī)微納電子器件原理器件或連線二氧化硅硅介電質(zhì)器件或連線柔性基體硅傳統(tǒng)“非柔性”電子器件“柔性”電子器件柔性化FlexibleICs難點(diǎn)與挑戰(zhàn)：基于無機(jī)薄膜電子器件可延展柔性化？怎樣將脆性無機(jī)薄膜與柔性基體集成？大變形及疲勞載荷下薄膜器件是否失效？高速柔性薄膜電子器件設(shè)計制備與集成挑戰(zhàn)11基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第11頁12關(guān)鍵科學(xué)問題高速薄膜器件可延展柔性化與集成化設(shè)計理論高速柔性薄膜器件轉(zhuǎn)印實現(xiàn)及其界面物理機(jī)理柔性環(huán)境下無機(jī)薄膜器件高速電子學(xué)性能與退化機(jī)理基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第12頁13科學(xué)問題一：高速薄膜器件可延展柔性化

與集成化設(shè)計理論科學(xué)難點(diǎn)怎樣實現(xiàn)脆性無機(jī)薄膜器件可延展柔性？怎樣設(shè)計無機(jī)薄膜與柔性基體集成結(jié)構(gòu)？研究思緒利用力學(xué)屈曲變形使得互連導(dǎo)線或薄膜出現(xiàn)波浪狀基于分形互連可展結(jié)構(gòu)及基體表面微結(jié)構(gòu)布控可延展柔性結(jié)構(gòu)聚合物柔性基體無機(jī)薄膜或互連導(dǎo)線聚合物柔性基體無機(jī)薄膜或互連導(dǎo)線基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第13頁14科學(xué)問題二：高速柔性薄膜器件轉(zhuǎn)印實現(xiàn)

及其界面物理機(jī)理科學(xué)難點(diǎn)怎樣實現(xiàn)脆性薄膜與柔性基體轉(zhuǎn)印集成？怎樣控制大變形下無機(jī)薄膜/柔性基體間界面失效？研究思緒調(diào)控?zé)o機(jī)薄膜/柔性基體界面粘附特征利用斷裂力學(xué)確定界面失效準(zhǔn)則大變形異質(zhì)界面柔性器件基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第14頁15科學(xué)問題三：柔性環(huán)境下無機(jī)薄膜器件

高速電子學(xué)性能與退化機(jī)理科學(xué)難點(diǎn)怎樣確?？裳诱谷嵝原h(huán)境下無機(jī)薄膜電學(xué)性能及其可靠性？研究思緒經(jīng)過理論分析無機(jī)薄膜在變形下電學(xué)性能經(jīng)過試驗與理論計算結(jié)合方式確定多場耦合作用下無機(jī)薄膜電學(xué)性能基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第15頁16主要研究內(nèi)容力學(xué)介入可延展柔性高速薄膜器件集成化設(shè)計研究高速柔性薄膜器件高效、大規(guī)模轉(zhuǎn)印集成技術(shù)研究滿足柔性基體集成高速薄膜器件微納制備技術(shù)研究柔性/剛性異質(zhì)界面對高速薄膜器件集成及電子學(xué)性能調(diào)控機(jī)理研究含有柔性互連導(dǎo)線高速薄膜器件延遲機(jī)制與可靠性研究基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第16頁171.力學(xué)介入可延展柔性高速薄膜器件集成化設(shè)計研究？？圖研究內(nèi)容：集成電路可延展柔性化設(shè)計原理互連導(dǎo)線自相同結(jié)構(gòu)大變形機(jī)理無機(jī)薄膜應(yīng)變隔離新原理及其實現(xiàn)方法可延展柔性集成電路仿真分析科學(xué)貢獻(xiàn)：基于力學(xué)屈曲變形結(jié)構(gòu)可延展柔性化理論技術(shù)突破：微納尺度可延展柔性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法島-橋構(gòu)型自相同導(dǎo)線基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第17頁182.高速柔性薄膜器件高效、大規(guī)模轉(zhuǎn)印集成技術(shù)研究研究內(nèi)容：柔性基體表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)界面粘附力調(diào)控機(jī)理薄膜與柔性基體轉(zhuǎn)印結(jié)合過程及控制參數(shù)大規(guī)模局部主動控制轉(zhuǎn)移印刷集成方法科學(xué)貢獻(xiàn)：基于界面可控粘附轉(zhuǎn)印理論與集成方法技術(shù)突破：實現(xiàn)高效高成品率轉(zhuǎn)印技術(shù)轉(zhuǎn)印機(jī)理大規(guī)模轉(zhuǎn)印基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第18頁193.滿足柔性基體集成高速薄膜器件微納制備技術(shù)研究研究內(nèi)容：小型化、薄膜器件外延結(jié)構(gòu)設(shè)計和生長技術(shù)小型化、薄膜器件器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備技術(shù)面向準(zhǔn)確轉(zhuǎn)印襯底剝離和微結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)科學(xué)貢獻(xiàn)：薄膜材料微型化設(shè)計和制備研究技術(shù)突破：滿足轉(zhuǎn)印襯底剝離技術(shù)和微支撐結(jié)構(gòu)襯底剝離后微支撐結(jié)構(gòu)基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第19頁204.柔性/剛性異質(zhì)界面對高速薄膜器件集成及電子學(xué)

性能調(diào)控機(jī)理研究研究內(nèi)容：電-力-熱等多場耦合下薄膜器件性能基本參量試驗表征方法大變形情況下柔性/剛性界面對高速薄膜器件電子學(xué)性能影響柔性基體上集成薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)變空間分布對電學(xué)性能調(diào)控機(jī)理科學(xué)貢獻(xiàn)：界面對高速薄膜器件電子學(xué)性能調(diào)控機(jī)理技術(shù)突破：電-力-熱多場耦合性能表征方法基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第20頁裂紋滑移脫粘作用力L-dL215.含有柔性互連導(dǎo)線高速薄膜器件延遲機(jī)制

與可靠性研究研究內(nèi)容：高速可延展無機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線延遲模型高速可延展無機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線可靠性評定薄膜/基體系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性界面強(qiáng)度在大變形情況下演化及失效過程科學(xué)貢獻(xiàn)：高速可延展無機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線延遲機(jī)理技術(shù)突破：薄膜器件穩(wěn)定性和失效準(zhǔn)則大變形基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第21頁22三、國內(nèi)情況和研究條件基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第22頁

經(jīng)過力學(xué)機(jī)理設(shè)計柔性無機(jī)mLED具比有機(jī)LED含有更高亮度、更長壽命；比傳統(tǒng)無機(jī)LED含有更低成本和高延展性。（PNAS105:18675-18680,）柔性無機(jī)μLED研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第23頁

經(jīng)過力學(xué)機(jī)理設(shè)計柔性無機(jī)mLED具比有機(jī)LED含有更高亮度、更長壽命；比傳統(tǒng)無機(jī)LED含有更低成本和高延展性。（Science325:977-981,）柔性無機(jī)μLED研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第24頁研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件可延展柔性電路板(Science320:507-511,)

電子路板延展性高達(dá)140%可扭轉(zhuǎn)、彎曲（PNAS105:18675-18680,）基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第25頁研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件大腦上超柔電路

電路柔性使得其在濕潤條件下與大腦不規(guī)則表面實現(xiàn)非常好全方面接觸（NatureMaterials9:511-517,）1cmunwrapped75m25m7.0m2.8munwrappedwrappedwrapped0.3cm75m2.8mwrapped基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第26頁

將電子元件轉(zhuǎn)移印刷到曲面上，實現(xiàn)與人眼相同功效，同時經(jīng)過內(nèi)壓調(diào)控微調(diào)鏡頭曲面曲率，實現(xiàn)鏡頭縮放。可調(diào)電子眼（PNAS108(5),1788-1793,）（Nature454,748-753,）研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第27頁多功效醫(yī)用導(dǎo)管利用結(jié)構(gòu)高延展性（高達(dá)100％），實現(xiàn)了將各種功效芯片集成于導(dǎo)管頭上，減小了微創(chuàng)手術(shù)創(chuàng)傷。多功效醫(yī)用導(dǎo)管CatheterSensorsACFfilm15mmDeviceIntegrationontocatheterlesionlesion5mmCPDMStactilesensorelectrodeelectrode1mmrabbitheart500m1mmdeflateinflateLEDtempsensorelectrode500melectrode（NatureMaterials10,316-323,）研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第28頁仿表皮電子原件含有與皮膚相近模量，在無需外加粘結(jié)劑情況下，在各種工況下（褶皺、彎曲）與人體皮膚保持很好接觸。仿表皮柔性電子器件bareskinskinpatchdeformrelaxaftertransferelectronicsafterintegrationontoskinelectronicsfrontsidetattooafterdeformationbacksideoftattoo0.5cmtattoo（Science333,838-843,）研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第29頁研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件可延展柔性電池(NATURECOMMUNICATIONS4:1543,)高達(dá)200％-250%延展性基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第30頁研究進(jìn)展：可延展柔性無機(jī)電子器件可延展柔性電池(NATURECOMMUNICATIONS4:1543,)基于柔性薄膜的電子器件的設(shè)計制備與發(fā)展第31頁研究進(jìn)展：柔性電子器