摘 要

柔性電子學(xué)已成為一個(gè)不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域。二維 （2D） 材料在高性能、柔性電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中具有重要前景。許多研究都集中在利用這些二維材料的潛力來開發(fā)此類設(shè)備上。然而，迄今為止，在柔性電子產(chǎn)品中加入二維材料的情況很少被總結(jié)。因此，迫切需要開展全面調(diào)研，以便快速更新這一不斷變化的研究現(xiàn)狀。近來，濟(jì)南大學(xué)逄金波、周偉家與哈爾濱工業(yè)大學(xué)張墅野、中國科學(xué)院微電子研究所畢津順以及德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)Gianaurelio Cuniberti院士等人合作，在InfoMat期刊上發(fā)表了題為：Boosting flexible electronics with integration of two-dimensional materials的綜述文章。文章第一作者為濟(jì)南大學(xué)碩士生侯崇洋。本文介紹了基于二維材料和柔性材料融合的應(yīng)用，包含聲學(xué)和運(yùn)動(dòng)傳感器、納米發(fā)電機(jī)、憶阻器、紡織品、超級電容器、邏輯運(yùn)算以及存儲器等集成電路應(yīng)用。此外，還提供有關(guān)仿人型人工器官進(jìn)展的最新信息，包括熱成像、人工視網(wǎng)膜、人工喉嚨、人工耳、體溫和脈搏傳感器?；趯鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)的訓(xùn)練，機(jī)器學(xué)習(xí)可以從多模態(tài)傳感器陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成類人的五感。電子皮膚能夠進(jìn)行傳感、成像和熱療，而受神經(jīng)形態(tài)突觸啟發(fā)的人工視網(wǎng)膜能夠動(dòng)態(tài)提取運(yùn)動(dòng)軌跡和信息存儲。此外，還開發(fā)了最先進(jìn)的自供電設(shè)備和多功能傳感器，例如非接觸式納米發(fā)電機(jī)和多模揚(yáng)聲器。最后，這些多功能集成應(yīng)用可以提供更高效的數(shù)據(jù)處理速度和輕量級的可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)二維材料柔性電子器件的商業(yè)化。最后，文章簡要討論了這個(gè)新興領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。

Scheme 1. 二維材料賦能柔性和可穿戴電子器件的典型應(yīng)用

文章簡介

柔性電子在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)中的快速發(fā)展，極大地促進(jìn)了個(gè)性化柔性可穿戴傳感器的管理。人們在佩戴柔性傳感器時(shí)提高了對舒適性和智能性的期望。在此，我們探索了各種二維材料及其在柔性可穿戴傳感器中的應(yīng)用。

1. 基于二維材料的柔性生物電子

生物電子學(xué)與人體相容，可以附著在皮膚上或植入，以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境刺激的敏感性。這項(xiàng)技術(shù)徹底改變了醫(yī)療保健、生物工程和神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域。軟生物電子學(xué)在電子皮膚、腦機(jī)接口、心臟起搏器和人工視網(wǎng)膜等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。二維材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物電子學(xué)，并在許多方面顯示出變革的潛力。作為功能材料，這些材料不僅可以改善器件的物理性能，如導(dǎo)電性、遷移率和光響應(yīng)速度，還可以作為藥物遞送和檢測特定分子的載體。

圖1. 基于二維材料設(shè)計(jì)的電子皮膚、人工視網(wǎng)膜和電子鼻

2. 基于二維材料的智能顯示屏

柔性顯示屏已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電腦、智能手環(huán)等移動(dòng)設(shè)備。大面積、高質(zhì)量的2D材料薄膜制備工藝的不斷成熟，使其在商業(yè)顯示屏制造中脫穎而出。

光電流輸出可用作信息安全應(yīng)用的顯示器。圖像加密器能夠在圖像采集過程中執(zhí)行加密過程。這些加密器通常采用加密算法和密鑰對來加密內(nèi)容，并將初始圖像數(shù)據(jù)與密鑰合并以生成加密圖像。然后，加密的圖像通過安全通道傳輸?shù)矫荑€授權(quán)方。鑒于機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步，量子技術(shù)，傳感器和計(jì)算單元之間的數(shù)據(jù)傳輸過程并不那么安全。提供密鑰的硬件密碼學(xué)被認(rèn)為是一種解決方案。與軟件計(jì)算相比，這種策略提供了更簡潔的設(shè)計(jì)和隨機(jī)性。但是，由于現(xiàn)有的硬件安全模塊與傳感器在物理上是分開的，因此安全密鑰存在重復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)。2D 材料因其大表面積而有利于圖像加密應(yīng)用，高體積比，高載流子移動(dòng)性，和可調(diào)諧的電子特性。使用 2D 材料在傳感器內(nèi)進(jìn)行加密，允許密鑰綁定到捕獲的圖像，從而實(shí)現(xiàn)高度可信的加密。

圖2. MoS2基場效應(yīng)晶體管用于信息加密

3. 基于二維材料的儲能與換能設(shè)備

二維材料的靈活儲能方法，包括電池和超級電容器等儲能設(shè)備。纖維紡織品是可穿戴電子產(chǎn)品的理想平臺，可適應(yīng)各種變形，包括拉伸和彎曲。這些材料可以集成到傳感器、電源、型和數(shù)據(jù)處理者。高效的儲能系統(tǒng)對于確?？纱┐髟O(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和延長使用壽命至關(guān)重要。光纖鋰離子電池和超級電容器，特別是通過優(yōu)化金屬離子陽極開發(fā)的混合超級電容器，因其高能量密度和長壽命而受到關(guān)注。大多數(shù)混合FSC中的電極材料由復(fù)合材料組成，例如石墨烯和金屬氧化物，這些材料以其高導(dǎo)電性、良好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度而聞名。混合FSC比傳統(tǒng)超級電容器具有更高的能量密度，這歸因于使用了具有高比電容的材料。此外，其快速充放電能力使混合FSC在快能脈沖領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。柔性固態(tài)鋰金屬電池利用化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)，使它們能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度和比容量。它們可以與纖維結(jié)合以實(shí)現(xiàn)靈活的設(shè)計(jì)，在可穿戴紡織品中具有巨大的潛力。當(dāng)然，必須解決在充電和放電過程中確定柔性固態(tài)鋰金屬電池引起的短路挑戰(zhàn)。此外，鋅離子基光纖超級電容器具有理論能量密度高、安全性好、環(huán)保性好、成本低、資源豐富等特點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用前景。

圖3. 基于MXene的電子織物超級電容器，為手表充電

4. 二維材料神經(jīng)形態(tài)工程

電子突觸和神經(jīng)元是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)建塊。然而，在突觸和神經(jīng)元之間實(shí)現(xiàn)有效匹配的挑戰(zhàn)，例如材料和工藝的差異，導(dǎo)致了具有可重構(gòu)能力的憶阻器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。電子紡織品具有交織結(jié)構(gòu)，可有效降低神經(jīng)元回路的復(fù)雜性，簡化低能耗回路的設(shè)計(jì)。智能電紡在集成多種功能方面具有優(yōu)勢，例如神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

圖4.異質(zhì)結(jié)構(gòu)憶阻器紡織網(wǎng)絡(luò)

最后，作者對二維材料設(shè)計(jì)柔性電子產(chǎn)品所面臨的許多挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

首先，二維材料的合成仍然具有挑戰(zhàn)性。盡管二維材料由于體積小而滿足這些要求，但要實(shí)現(xiàn)其優(yōu)勢，就需要在大面積合成方面取得進(jìn)展，轉(zhuǎn)移到設(shè)備，建立良好的電接觸，并調(diào)節(jié)電氣性能。在傳統(tǒng)電子產(chǎn)品中使用二維材料仍面臨挑戰(zhàn)。在二維材料的薄層中很難實(shí)現(xiàn)可控的重?fù)诫s，主要策略包括庫侖散射和電荷傳輸操縱。由于二維材料表面沒有懸掛鍵，因此可以通過范德華界面工程對其進(jìn)行操作。例如，通過控制器件中的界面接觸，可以引入高介電常數(shù)材料來增強(qiáng)載流子的場效應(yīng)發(fā)射，或者可以使用邊緣接觸來降低器件的界面電阻。然而，2D 材料通常需要在更高的溫度下生長，以引入許多缺陷和空位，這些缺陷和空位會顯著影響器件的閾值電壓和接觸電阻。因此，必須開發(fā)新技術(shù)來控制和減少這些高溫合成過程中產(chǎn)生的缺陷，同時(shí)保持二維材料的性能。

其次，在柔性基板上直接合成二維材料仍然是一個(gè)未解決的問題。柔性基板決定了二維材料柔性電子器件的機(jī)械性能。這些基板必須平衡制造工藝兼容性、低成本、高光學(xué)清晰度和出色的機(jī)械靈活性。目前，使用的基材主要包括PET、PDMS和PI，這些聚合物的電阻溫度通常低于350°C。在可穿戴設(shè)備中使用二維 材料時(shí)，低熱穩(wěn)定性導(dǎo)致環(huán)境溫度受到顯著限制。此外，在高溫下，聚合物基體的熱膨脹系數(shù)高于二維材料，這會導(dǎo)致材料在高溫加工過程中產(chǎn)生薄膜應(yīng)力和裂紋。需要解決集成電路元件的剛性問題，將多個(gè)電子元件集成到柔性襯底中。傳感器單元將外部物理信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行分析。石墨烯、TMDCs和黑磷是理想的高效傳感材料。然而，必須分析使用合適的傳感單元來促進(jìn)特定應(yīng)用的信號讀取，然后將具有不同功能的二維材料傳感器集成到同一設(shè)備中。高分辨率可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)需要在大面積上處理高密度的柔性材料陣列。目前二維可穿戴設(shè)備的加工技術(shù)仍以與傳統(tǒng)剛性材料的混合和集成為主。因此，我們必須經(jīng)歷一個(gè)發(fā)展過程，從二維材料和剛性材料的混合開發(fā)到柔性電子二維材料的完全集成。

第三，在將2D材料轉(zhuǎn)移到柔性基板上時(shí)會出現(xiàn)問題。在柔性電子應(yīng)用中，由于 二維材料的高表面活性，它們通常在環(huán)境中緩慢氧化，或者它們的性能因水分而降解。與剛性基材相比，柔性基材通常具有較差的氣體阻隔性能，特別是阻隔水蒸氣的能力較弱，這可能會加速二維材料性能的退化。盡管柔性聚合物基材具有出色的柔韌性，但它們的耐熱性較差，這限制了二維材料在柔性基材上的直接高溫生長。將二維材料轉(zhuǎn)移到柔性基板的過程涉及復(fù)雜的制造步驟，并且很難確保轉(zhuǎn)移過程不會影響材料性能。柔性基板可以承受的機(jī)械應(yīng)力也會對二維材料造成物理損壞。此外，柔性基板較粗糙的表面可能會導(dǎo)致不必要的載流子散射，從而顯著降低載流子的遷移率。

圖5. 二維材料基柔性電子的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

材料：開發(fā)高質(zhì)量、低成本、大規(guī)模的二維材料制造技術(shù)是推動(dòng)柔性電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵方面。迄今為止，還沒有有效的策略來控制通過水熱合成合成和機(jī)械剝離的二維材料的尺寸和厚度。大面積二維材料的主流制備策略包括CVD、PVD和MBE，熱沉積制備二維材料不可避免地需要襯底支撐。需要進(jìn)一步研究二維材料生長的主觀動(dòng)力學(xué)過程與基體表面結(jié)構(gòu)引起的熱力學(xué)勢壘之間的競爭關(guān)系之間的潛在機(jī)制。人工智能輔助設(shè)計(jì)和建模工具用于實(shí)現(xiàn)高通量篩選并預(yù)測材料性能。用有機(jī)官能團(tuán)修改二維材料的表面，可以提高對特定參數(shù)的檢測靈敏度。提高二維材料對濕度、溫度等環(huán)境因素的耐受性，對于實(shí)現(xiàn)器件在極端環(huán)境下的應(yīng)用至關(guān)重要。此外，還提出了通過缺陷控制和摻雜來提高二維材料的導(dǎo)熱性和耐久性。二維材料的厚度和間距旨在實(shí)現(xiàn)對光吸收和發(fā)射的精確控制。盡管取得了這些進(jìn)步，但在實(shí)現(xiàn)符合柔性電子標(biāo)準(zhǔn)的無處不在的大規(guī)模制造二維材料和器件方面仍然存在巨大挑戰(zhàn)，因此需要顛覆性的合成技術(shù)創(chuàng)新。

能量轉(zhuǎn)換和儲存：設(shè)備不應(yīng)受到傳統(tǒng)能源供應(yīng)方法的限制，從而允許更靈活地使用。人類機(jī)械能和生物能的有效轉(zhuǎn)換和利用對于實(shí)現(xiàn)更大的能源自給自足甚至傳感器的永久供電至關(guān)重要。盡管TENG為可穿戴設(shè)備提供了創(chuàng)新的電源解決方案，但其輸出功率的不穩(wěn)定性是一個(gè)主要問題。TENG通常需要與超級電容器結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電力輸出并提高器件的機(jī)械韌性。此外，基于二維材料優(yōu)異的光電和機(jī)械性能，可以實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸功能。例如，使用導(dǎo)電二維材料（如石墨烯和MXene）的高效射頻天線可以作為無線能量傳輸系統(tǒng)中的接收或發(fā)射終端，將射頻信號轉(zhuǎn)換為直流電。最終，將這些電源技術(shù)與傳感器集成，不僅可以實(shí)現(xiàn)電源，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控和醫(yī)療保健。這樣的集成設(shè)計(jì)將使未來的可穿戴設(shè)備更加高效、便攜，并能夠無縫集成到物聯(lián)網(wǎng)中。不再受制于傳統(tǒng)的能源供應(yīng)方式。

傳感集成技術(shù): 基于二維材料的柔性電子的傳感集成技術(shù)正在不斷演進(jìn)，以提高交互的自然性，增強(qiáng)智能處理能力，并實(shí)現(xiàn)多功能集成。二維材料電子墨水打印的發(fā)展將推動(dòng)更直觀的用戶界面設(shè)計(jì)，允許屏幕彎曲甚至卷曲，而不會影響顯示質(zhì)量。集成了感知、顯示、通信等多種功能，以改善與視覺和觸覺相關(guān)的交互感知體驗(yàn)。通過組合不同類型的二維材料;減少組件數(shù)量;設(shè)計(jì)能夠同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、通信和感知功能的集成設(shè)備，以及自給自足的能源能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和輕量化。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量將持續(xù)增加，軟件和算法的發(fā)展將實(shí)現(xiàn)高效、低功耗的數(shù)據(jù)計(jì)算。探索用戶和設(shè)備之間的交互模式對于提供更自然、更直觀的用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。通過語音識別、觸摸感應(yīng)和手勢控制技術(shù)的集成，用戶可以更高效地與設(shè)備交互。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法在提升數(shù)據(jù)處理的智能水平方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這使得傳感器不僅能夠準(zhǔn)確監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，而且還能夠根據(jù)用戶的特定需求提供個(gè)性化的反饋和建議。將環(huán)境監(jiān)測、生物健康監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)跟蹤等多種功能集成到單個(gè)二維材料傳感器平臺上，提升了設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值和用戶便利性。開發(fā)與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備無縫集成的解決方案，可以創(chuàng)建一個(gè)互聯(lián)的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)。

舒適性：在設(shè)計(jì)中必須考慮人體工程學(xué)，以確保設(shè)備的形狀、尺寸和質(zhì)地與用戶的身體結(jié)構(gòu)兼容，提供舒適自然的佩戴體驗(yàn)。該設(shè)備還應(yīng)提供干凈直觀的用戶界面，無論年齡大小，都可以輕松操作。確保用戶數(shù)據(jù)的安全性和隱私性變得至關(guān)重要。必須遵守強(qiáng)化的數(shù)據(jù)加密和國際隱私標(biāo)準(zhǔn)，以確保用戶健康數(shù)據(jù)得到充分保護(hù)。開發(fā)非接觸式能量傳輸技術(shù)，例如使用摩擦電和壓電效應(yīng)，減少了設(shè)備與皮膚直接接觸的需要，從而減少了皮膚刺激并增強(qiáng)了佩戴體驗(yàn)的整體舒適度。優(yōu)化可穿戴設(shè)備材料以減輕重量有助于減輕用戶的身體負(fù)擔(dān)。此外，選擇具有成本效益且易于生產(chǎn)的材料可以降低制造成本，使這些設(shè)備能夠?yàn)楦鼜V泛的人群所接受

生物醫(yī)學(xué)：生物電子醫(yī)療最終將形成一個(gè)綜合系統(tǒng)，包括便攜式電源、高靈敏度感知、智能數(shù)據(jù)采集、診療能力，以及及時(shí)的信息反饋和治療。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并確保實(shí)驗(yàn)研究和商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)化，必須在國際上制定更詳細(xì)和具體的標(biāo)準(zhǔn)。在商業(yè)化之前，可穿戴設(shè)備必須通過嚴(yán)格的臨床試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其在現(xiàn)實(shí)世界醫(yī)療環(huán)境中的可靠性。同時(shí)，設(shè)備必須與現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)兼容，以確保不同設(shè)備之間的無縫健康記錄監(jiān)控，促進(jìn)數(shù)據(jù)整合和分析，并實(shí)現(xiàn)對人類健康的整體評估。可穿戴設(shè)備中使用的2D材料必須具有生物相容性并表現(xiàn)出低毒性，這對于設(shè)計(jì)可植入人體的設(shè)備至關(guān)重要。在體內(nèi)長期植入二維材料裝置可能對人體器官產(chǎn)生持久影響;因此，需要評估其長期健康影響。開發(fā)可靠的無線充電技術(shù)對于確?？纱┐髟O(shè)備的連續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)傳輸解決方案，將動(dòng)態(tài)監(jiān)控過程中的數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)降至最低，同時(shí)連接遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)，及時(shí)就診和協(xié)同治療。無線檢測可以減少患者的醫(yī)源性損傷。這涉及將具有集成電源和無線傳輸?shù)闹踩胧絺鞲衅鞣胖玫饺梭w中，通常在皮下組織中。這些傳感器通過微創(chuàng)手術(shù)植入，實(shí)現(xiàn)對血氧、血糖等各種生理信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測。二維材質(zhì)的使用構(gòu)建可生物降解的小型化裝置，可以自主管理藥物釋放，實(shí)現(xiàn)藥物靶向治療。人工智能和大數(shù)據(jù)算法已經(jīng)開發(fā)出來，用于實(shí)時(shí)分析和收集人類健康數(shù)據(jù)。這些技術(shù)提供個(gè)性化的健康見解和潛在疾病的早期預(yù)警。通過無線傳輸檢測技術(shù)，促進(jìn)了患者的連續(xù)監(jiān)測和遙感醫(yī)療。同時(shí)，為早期疾病篩查和全球疾病數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建收集了廣泛的信息。由眾多傳感器組成的互連網(wǎng)絡(luò)支持萬物互聯(lián)的概念。

未來，預(yù)計(jì)開發(fā)一種通用策略，利用應(yīng)變工程和異構(gòu)集成在柔性基板上生長二維材料。這些 2D 材料將為更廣泛的應(yīng)用提供更好的靈活性和集成度。更小型化和模塊化的柔性電子設(shè)備將根據(jù)用戶的需求和偏好進(jìn)行定制，從而帶來更個(gè)性化的服務(wù)和更好的用戶體驗(yàn)?？缮锝到獠牧咸岣吡嗽O(shè)備的環(huán)保性，而實(shí)施隱私保護(hù)措施將增加用戶對這些設(shè)備的信任。我們熱切期待進(jìn)一步的創(chuàng)新和突破，以實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)和基于2D材料的柔性電子產(chǎn)品的新功能開發(fā)。