【专题】柔性材料与器件

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【编者按】

       柔性电子学是21世纪重要颠覆性交叉科学技术，近年来在国际研究领域发展迅速。柔性功能材料与器件是柔性电子学的基础与核心，其快速发展必将对健康医疗、物联网、人工智能、脑机接口等战略新兴领域带来变革。基于新原理、新材料、新结构和新工艺等的柔性功能材料与器件的研究成果不断涌现，在此基础上具有自修复、自驱动、可延展、可重构、可降解等特性的新型柔性材料、器件及系统的研究成果层出不穷。

      《功能材料与器件学报》编辑部特邀中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究员和中国科学院上海微系统与信息技术研究所李铁研究员策划了本期“柔性材料与器件”专题。来自中国科学院纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、上海交通大学、北京航空航天大学、电子科技大学、北京交通大学和上海复旦大学的柔性电子专家贡献了9篇学术论文。重点介绍了柔性功能材料、柔性传感器及仿生微系统的研究进展及发展趋势，希望这些内容对读者有所启发。

【论文导读】

一、柔性仿生触觉感知技术：从电子皮肤传感器到神经拟态仿生触觉感知系统

孙富钦，陆骐峰，张珽

       模仿生物触觉感知系统，利用柔性触觉传感器与人工突触器件构建柔性神经拟态触觉感知系统是发展下一代低功耗与高生物兼容性的仿生触觉感知系统的新型范式。本文从不同类型的仿生电子皮肤触觉传感器件，到基于人工突触器件的神经拟态触觉感知系统都进行了整理和总结，分析了与神经拟态触觉感知系统相关的主要挑战和机遇，并提出了潜在的解决方案和建议。

二、柔性可拉伸场效应晶体管器件的材料选择和器件制备

崔浩然，宋  健，王跃林，李  铁

       柔性可拉伸场效应晶体管器件不同于传统的刚性器件，具有较好的柔性和生物相容性，在许多领域实现了突破性的应用。柔性可拉伸器件为了保证其柔韧性，所用的材料都需要具有一定的柔性和可拉伸性。此外，器件还需要具有更好的舒适性和实用性，需要具有更薄的设备厚度，对其制备方法也提出了一定要求。通过对柔性可拉伸场效应晶体管的材料和器件的制备方法进行详细归纳总结，可以为柔性可拉伸晶体管器件的制备和优化提供参考。

三、有机场效应晶体管气体传感器研究进展

刘  萌，宋  健，王跃林，李  铁

       有机场效应晶体管(OFET)具有高效的信号转化与放大作用，在气体传感器研究领域受到广泛关注。本文围绕近年来相关研究工作，重点介绍并总结了OFET气体传感器在检测不同物理化学性质的有害气体方面的研究进展。同时，对OFET气体传感器未来的发展方向提出展望，为相关领域的研究提供参考。

四、柔性可穿戴式呼吸传感监测系统研究进展

张浩东，苏开明，殷善开，杨卓青

       柔性可穿戴式呼吸传感监测系统包含柔性呼吸传感器和微型化电路，集信号传感、存储、传输和处理等功能于一体，具有体积小、准确性高、操作方便简单以及制备成本低等特点，其应用范围大于目前临床上常用的多导睡眠仪，可满足对呼吸系统疾病长期监测和早期诊断的需求。本文介绍了呼吸传感器的工作原理；以呼吸监测的实现方式为标准将呼吸传感监测系统分为两类——直接呼吸监测法和间接呼吸监测法，具体讨论了不同的呼吸监测位置和工作模式；最后，对柔性可穿戴式呼吸传感监测系统进行了相应的总结和展望。

五、仿生水动力学柔性传感器件与系统的研究进展

马治强，公  正，何其沛，刘公超，盛天宇，胡晓禾，张德远，蒋永刚

       海洋生态环境监测亟需高灵敏度的柔性流场感知器件与系统。生物已经进化出了各种各样性能优异的流场感知器官，为我们开发柔性流场感知器件提供了灵感的源泉。本文综述了以鱼类侧线、海豹胡须、鳄鱼圆顶感受器等为代表的水下生物流场感知器官，介绍了其感知原理及其功用。随后，介绍仿生流速传感器、压力传感器及涡流传感器等水下柔性流场传感器件与系统，以及其在水下航行器流场分析和水生生物可穿戴方面的应用。讨论了仿生柔性流场传感领域的技术瓶颈与发展趋势，并展望其在水下流场智能分析的应用前景。

六、基于激光诱导石墨烯的柔性传感器最新研究进展

崔进京，文丹良，徐  丽，陈  爽，张晓升

       可穿戴设备具有轻便、柔性、检测人体及环境信息等优势，是柔性电子领域极具发展潜力的器件。为了制备高性能的可穿戴器件，与其相关的材料制备、器件设计、多功能集成等方面得到研究。石墨烯作为一种优异的导电材料，广泛应用于柔性电子领域。特别地，激光诱导石墨烯的发现为可穿戴设备的设计和制备提供了一个单步加工的策略。本文主要从激光诱导石墨烯的制备工艺、应用于可穿戴设备的单模态传感器件、多功能器件三个方面对最新研究进行综述。

七、基于静电纺丝纳米PVDF膜的自驱动柔性复合式电子皮肤系统

杨甲一，许  巍，孟  妍，刘斯达，贾凌杰，陈国斌，李修函

       将摩擦纳米发电机和压电纳米发电机高效集成，构建了可同时感知皮肤压力、位置和发电信息的柔性电子皮肤系统，可实现传感器的实时信号检测，同时具备发电功能可作为电源模块为其他设备供电。利用静电纺丝工艺，制备了高介电常数PVDF柔性纳米薄膜，提升摩擦纳米发电机的输出特性。电子皮肤整体厚度为182 μm，拉伸性可达自身的130%。其输出特性中开路电压为200 V，短路电流为8 μA。通过采集输出信号，输入到深度学习模块中训练，实现手势判别。此外，利用机械力输入和电输出间的线性关系，实现定位和痛觉感知功能。

八、基于单晶硅纳米薄膜的光电器件和柔性传感器——进展与展望

胡博帆，尤淳瑜，胥博瑞，梅永丰

       单晶硅纳米薄膜因其纳米尺寸的厚度而具有不同于体硅材料的机械、光学、电学等性质，其中最显著的特点是高机械柔性以及可转移性。生物相容性以及与CMOS工艺兼容的特性使其在柔性电子领域得到广泛应用。本文综述了单晶硅纳米薄膜的性质、柔性器件的制备工艺以及作为柔性功能器件在各领域中应用的研究进展。阐述了未来单晶硅纳米薄膜柔性功能器件的发展方向。

九、摩擦纳米发电机原理及其在仿生及软体机器人的应用

刘海生，冯  帅，吴  旋

       通过从摩擦纳米发电机的结构、摩擦层表面微结构和摩擦电材料不断进行探索和研究，许多高性能的摩擦纳米发电机装置被设计制造。这些高性能的摩擦纳米发电机已经在自供能传感器、仿生应用及软体机器人驱动和传感等方面得到了广泛的应用。本文将对摩擦纳米发电机发电工作模式进行介绍，列举一些用于提高摩擦纳米发电机性能的材料的研究，并综述一些摩擦纳米发电机被应用于仿生及软体机器人的研究。