納米技術(shù)如何幫助實(shí)現柔性和可穿戴電子產(chǎn)品

2021-07-27

納米技術(shù)如何幫助實(shí)現柔性和可穿戴電子產(chǎn)品

柔性和可穿戴電子領(lǐng)域是兩個(gè)增長(cháng)迅速并正在擴展到許多行業(yè)的領(lǐng)域，一些應用程序采用了既靈活又可穿戴的設備。在許多情況下，可穿戴電子設備——尤其是新設備——將靈活適應用戶(hù)需求。不管應用如何，這兩個(gè)——如果你包括那些既靈活又可穿戴的應用的話(huà)——由于多年來(lái)納米技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)以目前的形式出現。如果沒(méi)有高效制造方法的進(jìn)步，那么許多柔性和可穿戴設備將無(wú)法實(shí)現，因為沒(méi)有任何材料可以執行所需的功能。

納米技術(shù)是如何推動(dòng)這些進(jìn)步的

要在可穿戴和柔性電子產(chǎn)品中使用，材料必須具備許多先決條件。最明顯的是，它們必須既薄又高度靈活。如果它們不薄，它們將無(wú)法有效彎曲并且容易發(fā)生應力斷裂。然而，一些薄的材料不靈活，這些也沒(méi)有用。雖然它們可用于某些可穿戴設備，但當今的許多設備都需要以一種或另一種方式滿(mǎn)足用戶(hù)的需求?？傮w而言，本質(zhì)上具有柔性的電子產(chǎn)品必須堅固耐用，并且能夠在各種彎曲和扭轉應力下抗斷裂。

還有另外兩個(gè)非常有益但依賴(lài)于應用程序的屬性。所討論的兩個(gè)特性是高導電性——隨后是高電荷載流子遷移率——和高光學(xué)透明度。對于許多傳感器和監測應用，需要高電導率，因為當材料因局部環(huán)境中的刺激而發(fā)生變化時(shí)，它會(huì )通過(guò)設備中傳感材料的電導率變化來(lái)檢測 - 這是柔性/可穿戴傳感器中的納米材料。另一方面，光學(xué)透明度與其他應用更相關(guān)，在這些應用中，光需要能夠穿過(guò)器件或器件的一部分。柔性屏幕是此類(lèi)應用的一個(gè)示例。

沒(méi)有多少材料表現出所有這些特性。值得慶幸的是，納米技術(shù)的出現和進(jìn)步產(chǎn)生了許多具有大部分（如果不是全部）這些特性的材料。沒(méi)有其他明確的材料領(lǐng)域——從有機分子到固態(tài)無(wú)機復合物和微制造——可以生產(chǎn)出特性與這些設備的需求如此吻合的材料，這就是納米技術(shù)在商業(yè)實(shí)現中發(fā)揮重要作用的原因。這些設備。有; 然而，使用柔性有機分子（即聚合物材料）生產(chǎn)柔性電子產(chǎn)品的運動(dòng)日益增長(cháng)，但它們目前在效率方面落后于納米材料。盡管如此，這是一個(gè)正在緩慢增長(cháng)的領(lǐng)域。這主要是因為這些有機電子產(chǎn)品中的大部分都是可印刷的，

納米技術(shù)一直處于開(kāi)發(fā)這些電子產(chǎn)品的最前沿還有另一個(gè)原因，那就是因為許多納米材料是可調的，它們的特性是可調的，并且制造過(guò)程是可調的。換句話(huà)說(shuō)，納米材料的局部結構可以在整個(gè)合成過(guò)程中改變和定制，或者它們可以在形成后進(jìn)行摻雜和功能化。所有這些因素都會(huì )改變納米材料的特性，以滿(mǎn)足應用的特定要求。這種可調性使納米材料成為許多不同柔性和可穿戴電子系統的通用構建塊。

然而，納米材料的加入并非沒(méi)有挑戰。碳納米管 (CNT) 是最早進(jìn)行試驗的納米材料之一，但在分散和排列 CNT 方面存在一些問(wèn)題。從那時(shí)起，碳納米管問(wèn)題已經(jīng)解決，但該行業(yè)已轉向使用其他納米材料，即不同的 2D 材料。雖然二維六方氮化硼和過(guò)渡金屬二硫屬化物 (TMDC) 材料已用于柔性電子產(chǎn)品，但石墨烯表現出最大的希望并被廣泛利用。造成這種情況的原因有很多，但簡(jiǎn)而言之，石墨烯可以滿(mǎn)足柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的每一個(gè)特性需求：

它具有任何材料中已知最高的導電性和電荷載流子遷移率。

它是一種高度柔韌的單層材料——隨著(zhù)層數的增加，它的柔韌性會(huì )降低。

它的光學(xué)透明度為 98.7%，這意味著(zhù)它可用于制造高度透明的設備。

它具有極高的抗拉強度。

它對高溫、高壓和腐蝕性化學(xué)環(huán)境具有非常高的穩定性。

在這個(gè)領(lǐng)域需要注意的其他關(guān)鍵材料包括納米線(xiàn)和量子點(diǎn)，因為它們有可能被整合到柔性和可穿戴電子設備中并帶來(lái)獨特的特性。

重點(diǎn)應用領(lǐng)域

柔性電子產(chǎn)品在兩個(gè)主要領(lǐng)域已經(jīng)找到了商業(yè)用途——或者至少正在籌備中。它們是柔性太陽(yáng)能電池和柔性觸摸屏。就商業(yè)上發(fā)現的柔性屏幕而言，目前處于領(lǐng)先地位的是有機發(fā)光二極管 (OLED)（在另一種材料之上的有機分子薄膜），但公司開(kāi)始研究結合量子點(diǎn)的可能性進(jìn)入 OLED 設備。此外，現在可以使用多個(gè)使用石墨烯的柔性屏幕，其中石墨烯和聚合物層彼此堆疊。據說(shuō)第一款使用石墨烯的商用“完全可折疊”智能手機和筆記本電腦最快可能在明年面世。

就采用納米材料的太陽(yáng)能電池而言，其效率正在提高。雖然它們的效率不如其他一些太陽(yáng)能電池高，但可以使用納米材料使它們變得靈活。因此，它們可以符合建筑物的幾何形狀，這使它們能夠捕獲更多來(lái)自太陽(yáng)的光子。因此，它們的能量轉換效率可能沒(méi)有那么高，但它們有可能捕獲更多可以轉化為電能的光子。此外，另一個(gè)增長(cháng)領(lǐng)域是將納米材料制成墨水形式，在那里它們可用于制造可印刷的太陽(yáng)能電池。

使用可穿戴和柔性電子設備原理的關(guān)鍵領(lǐng)域之一是用于診斷、健康監測和運動(dòng)監測的醫療傳感器。柔性電子產(chǎn)品使用納米材料，因此它們可以貼合皮膚的形狀并充當傳感器。在某些情況下，它們可以留在患者身上并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 進(jìn)行遠程監控。

每個(gè)應用程序都使用納米材料的不同特性，以定制的方法用于特定用途。隨著(zhù)制造方法的進(jìn)一步發(fā)展，將會(huì )有更多靈活和可穿戴的電子設備進(jìn)入市場(chǎng)。

總體而言，納米材料在制造和特性定制方面的改進(jìn)有助于柔性和可穿戴電子領(lǐng)域的發(fā)展。就目前而言，學(xué)術(shù)界有許多應用程序正在試驗中。鑒于目前納米材料的進(jìn)步速度，不久之后這些進(jìn)步將進(jìn)一步實(shí)現到更商業(yè)化的柔性和可穿戴電子設備中。