济南大学及合作者InfoMat：通过集成二维材料促进柔性电子产品的发展

摘 要

柔性电子学已成为一个不断发展的研究领域。二维 （2D） 材料在高性能、柔性电子产品的设计中具有重要前景。许多研究都集中在利用这些二维材料的潜力来开发此类设备上。然而，迄今为止，在柔性电子产品中加入二维材料的情况很少被总结。因此，迫切需要开展全面调研，以便快速更新这一不断变化的研究现状。近来，济南大学逄金波、周伟家与哈尔滨工业大学张墅野、中国科学院微电子研究所毕津顺以及德国德累斯顿工业大学Gianaurelio Cuniberti院士等人合作，在InfoMat期刊上发表了题为：Boosting flexible electronics with integration of two-dimensional materials的综述文章。文章第一作者为济南大学硕士生侯崇洋。本文介绍了基于二维材料和柔性材料融合的应用，包含声学和运动传感器、纳米发电机、忆阻器、纺织品、超级电容器、逻辑运算以及存储器等集成电路应用。此外，还提供有关仿人型人工器官进展的最新信息，包括热成像、人工视网膜、人工喉咙、人工耳、体温和脉搏传感器。基于对传感器采集数据的训练，机器学习可以从多模态传感器阵列进行数据融合，形成类人的五感。电子皮肤能够进行传感、成像和热疗，而受神经形态突触启发的人工视网膜能够动态提取运动轨迹和信息存储。此外，还开发了最先进的自供电设备和多功能传感器，例如非接触式纳米发电机和多模扬声器。最后，这些多功能集成应用可以提供更高效的数据处理速度和轻量级的可穿戴设备设计，从而促进二维材料柔性电子器件的商业化。最后，文章简要讨论了这个新兴领域的未来发展趋势。

Scheme 1. 二维材料赋能柔性和可穿戴电子器件的典型应用

文章简介

柔性电子在物联网和人工智能技术中的快速发展，极大地促进了个性化柔性可穿戴传感器的管理。人们在佩戴柔性传感器时提高了对舒适性和智能性的期望。在此，我们探索了各种二维材料及其在柔性可穿戴传感器中的应用。

1. 基于二维材料的柔性生物电子

生物电子学与人体相容，可以附着在皮肤上或植入，以实现对环境刺激的敏感性。这项技术彻底改变了医疗保健、生物工程和神经科学等领域。软生物电子学在电子皮肤、脑机接口、心脏起搏器和人工视网膜等领域有着广泛的应用。二维材料已经广泛应用于生物电子学，并在许多方面显示出变革的潜力。作为功能材料，这些材料不仅可以改善器件的物理性能，如导电性、迁移率和光响应速度，还可以作为药物递送和检测特定分子的载体。

图1. 基于二维材料设计的电子皮肤、人工视网膜和电子鼻

2. 基于二维材料的智能显示屏

柔性显示屏已广泛应用于智能手机、电脑、智能手环等移动设备。大面积、高质量的2D材料薄膜制备工艺的不断成熟，使其在商业显示屏制造中脱颖而出。

光电流输出可用作信息安全应用的显示器。图像加密器能够在图像采集过程中执行加密过程。这些加密器通常采用加密算法和密钥对来加密内容，并将初始图像数据与密钥合并以生成加密图像。然后，加密的图像通过安全通道传输到密钥授权方。鉴于机器学习的进步，量子技术，传感器和计算单元之间的数据传输过程并不那么安全。提供密钥的硬件密码学被认为是一种解决方案。与软件计算相比，这种策略提供了更简洁的设计和随机性。但是，由于现有的硬件安全模块与传感器在物理上是分开的，因此安全密钥存在重复的风险。2D 材料因其大表面积而有利于图像加密应用，高体积比，高载流子移动性，和可调谐的电子特性。使用 2D 材料在传感器内进行加密，允许密钥绑定到捕获的图像，从而实现高度可信的加密。

图2. MoS2基场效应晶体管用于信息加密

3. 基于二维材料的储能与换能设备

二维材料的灵活储能方法，包括电池和超级电容器等储能设备。纤维纺织品是可穿戴电子产品的理想平台，可适应各种变形，包括拉伸和弯曲。这些材料可以集成到传感器、电源、型和数据处理者。高效的储能系统对于确保可穿戴设备的稳定运行和延长使用寿命至关重要。光纤锂离子电池和超级电容器，特别是通过优化金属离子阳极开发的混合超级电容器，因其高能量密度和长寿命而受到关注。大多数混合FSC中的电极材料由复合材料组成，例如石墨烯和金属氧化物，这些材料以其高导电性、良好的柔韧性和机械强度而闻名。混合FSC比传统超级电容器具有更高的能量密度，这归因于使用了具有高比电容的材料。此外，其快速充放电能力使混合FSC在快能脉冲领域具有巨大的应用价值。柔性固态锂金属电池利用化学性质更稳定的固态电解质，使它们能够实现高能量密度和比容量。它们可以与纤维结合以实现灵活的设计，在可穿戴纺织品中具有巨大的潜力。当然，必须解决在充电和放电过程中确定柔性固态锂金属电池引起的短路挑战。此外，锌离子基光纤超级电容器具有理论能量密度高、安全性好、环保性好、成本低、资源丰富等特点，具有重要的应用前景。

图3. 基于MXene的电子织物超级电容器，为手表充电

4. 二维材料神经形态工程

电子突触和神经元是人工神经网络和脉冲神经网络的基本构建块。然而，在突触和神经元之间实现有效匹配的挑战，例如材料和工艺的差异，导致了具有可重构能力的忆阻器网络的发展。电子纺织品具有交织结构，可有效降低神经元回路的复杂性，简化低能耗回路的设计。智能电纺在集成多种功能方面具有优势，例如神经形态计算

图4.异质结构忆阻器纺织网络

最后，作者对二维材料设计柔性电子产品所面临的许多挑战与发展趋势进行了展望。

首先，二维材料的合成仍然具有挑战性。尽管二维材料由于体积小而满足这些要求，但要实现其优势，就需要在大面积合成方面取得进展，转移到设备，建立良好的电接触，并调节电气性能。在传统电子产品中使用二维材料仍面临挑战。在二维材料的薄层中很难实现可控的重掺杂，主要策略包括库仑散射和电荷传输操纵。由于二维材料表面没有悬挂键，因此可以通过范德华界面工程对其进行操作。例如，通过控制器件中的界面接触，可以引入高介电常数材料来增强载流子的场效应发射，或者可以使用边缘接触来降低器件的界面电阻。然而，2D 材料通常需要在更高的温度下生长，以引入许多缺陷和空位，这些缺陷和空位会显着影响器件的阈值电压和接触电阻。因此，必须开发新技术来控制和减少这些高温合成过程中产生的缺陷，同时保持二维材料的性能。

其次，在柔性基板上直接合成二维材料仍然是一个未解决的问题。柔性基板决定了二维材料柔性电子器件的机械性能。这些基板必须平衡制造工艺兼容性、低成本、高光学清晰度和出色的机械灵活性。目前，使用的基材主要包括PET、PDMS和PI，这些聚合物的电阻温度通常低于350°C。在可穿戴设备中使用二维 材料时，低热稳定性导致环境温度受到显着限制。此外，在高温下，聚合物基体的热膨胀系数高于二维材料，这会导致材料在高温加工过程中产生薄膜应力和裂纹。需要解决集成电路元件的刚性问题，将多个电子元件集成到柔性衬底中。传感器单元将外部物理信号转换为电信号进行分析。石墨烯、TMDCs和黑磷是理想的高效传感材料。然而，必须分析使用合适的传感单元来促进特定应用的信号读取，然后将具有不同功能的二维材料传感器集成到同一设备中。高分辨率可穿戴设备的设计需要在大面积上处理高密度的柔性材料阵列。目前二维可穿戴设备的加工技术仍以与传统刚性材料的混合和集成为主。因此，我们必须经历一个发展过程，从二维材料和刚性材料的混合开发到柔性电子二维材料的完全集成。

第三，在将2D材料转移到柔性基板上时会出现问题。在柔性电子应用中，由于 二维材料的高表面活性，它们通常在环境中缓慢氧化，或者它们的性能因水分而降解。与刚性基材相比，柔性基材通常具有较差的气体阻隔性能，特别是阻隔水蒸气的能力较弱，这可能会加速二维材料性能的退化。尽管柔性聚合物基材具有出色的柔韧性，但它们的耐热性较差，这限制了二维材料在柔性基材上的直接高温生长。将二维材料转移到柔性基板的过程涉及复杂的制造步骤，并且很难确保转移过程不会影响材料性能。柔性基板可以承受的机械应力也会对二维材料造成物理损坏。此外，柔性基板较粗糙的表面可能会导致不必要的载流子散射，从而显着降低载流子的迁移率。

图5. 二维材料基柔性电子的现状及未来发展趋势

材料：开发高质量、低成本、大规模的二维材料制造技术是推动柔性电子技术发展的一个关键方面。迄今为止，还没有有效的策略来控制通过水热合成合成和机械剥离的二维材料的尺寸和厚度。大面积二维材料的主流制备策略包括CVD、PVD和MBE，热沉积制备二维材料不可避免地需要衬底支撑。需要进一步研究二维材料生长的主观动力学过程与基体表面结构引起的热力学势垒之间的竞争关系之间的潜在机制。人工智能辅助设计和建模工具用于实现高通量筛选并预测材料性能。用有机官能团修改二维材料的表面，可以提高对特定参数的检测灵敏度。提高二维材料对湿度、温度等环境因素的耐受性，对于实现器件在极端环境下的应用至关重要。此外，还提出了通过缺陷控制和掺杂来提高二维材料的导热性和耐久性。二维材料的厚度和间距旨在实现对光吸收和发射的精确控制。尽管取得了这些进步，但在实现符合柔性电子标准的无处不在的大规模制造二维材料和器件方面仍然存在巨大挑战，因此需要颠覆性的合成技术创新。

能量转换和储存：设备不应受到传统能源供应方法的限制，从而允许更灵活地使用。人类机械能和生物能的有效转换和利用对于实现更大的能源自给自足甚至传感器的永久供电至关重要。尽管TENG为可穿戴设备提供了创新的电源解决方案，但其输出功率的不稳定性是一个主要问题。TENG通常需要与超级电容器结合使用，以实现稳定的电力输出并提高器件的机械韧性。此外，基于二维材料优异的光电和机械性能，可以实现无线能量传输功能。例如，使用导电二维材料（如石墨烯和MXene）的高效射频天线可以作为无线能量传输系统中的接收或发射终端，将射频信号转换为直流电。最终，将这些电源技术与传感器集成，不仅可以实现电源，还可以实现运动监控和医疗保健。这样的集成设计将使未来的可穿戴设备更加高效、便携，并能够无缝集成到物联网中。不再受制于传统的能源供应方式。

传感集成技术: 基于二维材料的柔性电子的传感集成技术正在不断演进，以提高交互的自然性，增强智能处理能力，并实现多功能集成。二维材料电子墨水打印的发展将推动更直观的用户界面设计，允许屏幕弯曲甚至卷曲，而不会影响显示质量。集成了感知、显示、通信等多种功能，以改善与视觉和触觉相关的交互感知体验。通过组合不同类型的二维材料;减少组件数量;设计能够同时进行数据处理、通信和感知功能的集成设备，以及自给自足的能源能力，实现设备的小型化和轻量化。监控数据量将持续增加，软件和算法的发展将实现高效、低功耗的数据计算。探索用户和设备之间的交互模式对于提供更自然、更直观的用户体验至关重要。通过语音识别、触摸感应和手势控制技术的集成，用户可以更高效地与设备交互。机器学习和人工智能算法在提升数据处理的智能水平方面发挥着至关重要的作用。这使得传感器不仅能够准确监控和分析数据，而且还能够根据用户的特定需求提供个性化的反馈和建议。将环境监测、生物健康监测、运动跟踪等多种功能集成到单个二维材料传感器平台上，提升了设备的应用价值和用户便利性。开发与现有技术设备无缝集成的解决方案，可以创建一个互联的技术生态系统。

舒适性：在设计中必须考虑人体工程学，以确保设备的形状、尺寸和质地与用户的身体结构兼容，提供舒适自然的佩戴体验。该设备还应提供干净直观的用户界面，无论年龄大小，都可以轻松操作。确保用户数据的安全性和隐私性变得至关重要。必须遵守强化的数据加密和国际隐私标准，以确保用户健康数据得到充分保护。开发非接触式能量传输技术，例如使用摩擦电和压电效应，减少了设备与皮肤直接接触的需要，从而减少了皮肤刺激并增强了佩戴体验的整体舒适度。优化可穿戴设备材料以减轻重量有助于减轻用户的身体负担。此外，选择具有成本效益且易于生产的材料可以降低制造成本，使这些设备能够为更广泛的人群所接受

生物医学：生物电子医疗最终将形成一个综合系统，包括便携式电源、高灵敏度感知、智能数据采集、诊疗能力，以及及时的信息反馈和治疗。为了实现这一目标并确保实验研究和商业化的标准化，必须在国际上制定更详细和具体的标准。在商业化之前，可穿戴设备必须通过严格的临床试验进行验证，以确保其在现实世界医疗环境中的可靠性。同时，设备必须与现代医疗系统兼容，以确保不同设备之间的无缝健康记录监控，促进数据整合和分析，并实现对人类健康的整体评估。可穿戴设备中使用的2D材料必须具有生物相容性并表现出低毒性，这对于设计可植入人体的设备至关重要。在体内长期植入二维材料装置可能对人体器官产生持久影响;因此，需要评估其长期健康影响。开发可靠的无线充电技术对于确保可穿戴设备的连续运行至关重要。构建高效的数据传输解决方案，将动态监控过程中的数据丢失风险降至最低，同时连接远程医疗服务，及时就诊和协同治疗。无线检测可以减少患者的医源性损伤。这涉及将具有集成电源和无线传输的植入式传感器放置到人体中，通常在皮下组织中。这些传感器通过微创手术植入，实现对血氧、血糖等各种生理信号的实时监测。二维材质的使用构建可生物降解的小型化装置，可以自主管理药物释放，实现药物靶向治疗。人工智能和大数据算法已经开发出来，用于实时分析和收集人类健康数据。这些技术提供个性化的健康见解和潜在疾病的早期预警。通过无线传输检测技术，促进了患者的连续监测和遥感医疗。同时，为早期疾病筛查和全球疾病数据库的构建收集了广泛的信息。由众多传感器组成的互连网络支持万物互联的概念。

未来，预计开发一种通用策略，利用应变工程和异构集成在柔性基板上生长二维材料。这些 2D 材料将为更广泛的应用提供更好的灵活性和集成度。更小型化和模块化的柔性电子设备将根据用户的需求和偏好进行定制，从而带来更个性化的服务和更好的用户体验。可生物降解材料提高了设备的环保性，而实施隐私保护措施将增加用户对这些设备的信任。我们热切期待进一步的创新和突破，以实现性能改进和基于2D材料的柔性电子产品的新功能开发。