基于無機(jī)半導(dǎo)體材料的光子/電子集成器件,是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分和基礎(chǔ)支撐.人與信息的交互融合是信息技術(shù)的主要發(fā)展方向,這種新的信息交互手段對電子集成器件提出了可延展柔性化的需求,以實現(xiàn)物理世界、信息數(shù)據(jù)和人類社會資源的綜合利用.可延展柔性化的集成器件,可突破傳統(tǒng)剛性無機(jī)集成器件不可變形、無法與人體曲面環(huán)境集成的瓶頸,極大拓展了傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的物理形態(tài)及應(yīng)用范圍,也必將在健康醫(yī)療、腦機(jī)融合、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響.本文對可延展柔性光子/電子集成器件的基本原理和設(shè)計方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并以大腦、心臟和皮膚可集成的可延展柔性無機(jī)電子集成器件為例展示了其在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用價值,然后介紹了可延展柔性光子/電子集成器件的轉(zhuǎn)印制備技術(shù),最后展望了其未來發(fā)展方向. 

【文章來源】：中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2016,46(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)可延展柔性無機(jī)電子的結(jié)構(gòu)設(shè)計.(a)波浪結(jié)構(gòu)

?懟⑸杓浦票負(fù)妥?〖際醯難芯拷??并展望了未來的應(yīng)用發(fā)展方向.2可延展柔性電子集成器件通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和中性層等力學(xué)設(shè)計后,高性能的無機(jī)半導(dǎo)體材料在整體性能上實現(xiàn)了柔性甚至可延展性.其中,金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metaloxidesemiconductorfield-effecttransistors,MOSFERs)是通過力學(xué)優(yōu)化后得到的最為典型的一類電子元件[29].N型和P型的MOSFERs通過連接后形成電路,例如互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complem-entarymetaloxidesemiconductor,簡稱CMOS)逆變器,對CMOS回路進(jìn)行不同的布局可以得到豐富的功能.圖2(a)所示的CMOS回路結(jié)合了中性軸和波浪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,由于其振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長,CMOS回路在發(fā)生折疊后,扭轉(zhuǎn)和彎曲過程中仍然保持很小的應(yīng)變,使得其電子學(xué)性能基本不受影響[12].CMOS回路也可采用更為優(yōu)化的非共面網(wǎng)格設(shè)計,如島橋結(jié)構(gòu)(圖2(b))和蜿蜒結(jié)構(gòu)[14].非共面的網(wǎng)格設(shè)計具有非圖2(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)可延展柔性CMOS回路.(a)波浪結(jié)構(gòu)[12];(b)島橋結(jié)構(gòu)[14];(c)CMOS回路集成到乙烯手套和皮革上[30]Figure2(Coloronline)FlexibleandstretchableCMOScircuits.(a)Inwaryconfiguration[12];(b)inisland-bridgeconfiguration[14];(c)opticalimagesofCMOScircuitsonfingerjointsofvinylandleather[30].常好的抗拉伸能力,能夠承受的拉伸變形達(dá)到140%.結(jié)合非共面網(wǎng)格設(shè)計和低模量的應(yīng)變隔離層封裝,CMOS回路可以集成到多種基體上,例如皮革、布料和乙烯手套等(圖2(c))[30].2.1生物集成的可延展柔性無機(jī)電子器件通過轉(zhuǎn)印技術(shù)集成的可延展柔性無機(jī)電子在與生物體進(jìn)行集成時具有得天獨厚的優(yōu)勢:(1)可延展柔性無機(jī)電子能夠適應(yīng)人體及其組織柔軟、非可展曲面等體征,實現(xiàn)器件與人體的緊密貼合而不影響日�；顒�;(2

黃銀等.中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)2016年第46卷第4期044607-4圖3(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)(a)超薄生物集成的柔性腦電極[33];(b)貓科動物大腦皮層的掃描信號[33];(c)薄網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)柔性腦電極[34]Figure3(Coloronline)(a)Ultrathinandflexibleelectrodeforbrainsurfacerecoding[33];(b)mappingresultsfromfelineneocortex[33];(c)ultrathinmeshelectrodarray[34].高速多路復(fù)用和高時間分辨率,可實時掃描貓科動物大腦的空間分布特性,其掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)了癲癇可能是在新皮質(zhì)層傳播的周期性螺旋波(圖3(b))[33].為了進(jìn)一步提高柔性腦電極與組織的接觸,將超薄網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)柔性腦電極置于生物可吸收的蠶絲蛋白襯底上,并保證其總厚度在10m以下.當(dāng)蠶絲蛋白在體液中溶解后,柔性腦電極能更加緊密、無損地貼合在腦組織表面(圖3(c))[34].研究心臟表面的電位活動圖對人們了解心臟疾病狀態(tài)、外科手術(shù)中局部組織的診斷有著重要意義.氣囊導(dǎo)管系統(tǒng)可顯著提高心血管疾病患者的治療水平,但其監(jiān)測到的信息強(qiáng)烈依賴于組織的接觸,仍不能反饋與軟組織的機(jī)械接觸以及心臟內(nèi)部的電位狀態(tài)信息[35,36].因此,研究者們設(shè)計了基于可延展柔性無機(jī)電子技術(shù)的多功能氣囊導(dǎo)管系統(tǒng)[37].柔性多功能氣囊導(dǎo)管系統(tǒng)將接觸式傳感器和多電極集成到球狀基體上,并通過蛇形導(dǎo)線連接(圖4(a)).圖4(b)兩圖分別展示了多功能氣囊導(dǎo)管與活的兔子心臟右心室直接接觸以及對心外膜進(jìn)行消融治療.圖4(c)分別展示了在右心室和左心房部位記錄到的電位圖.柔性多功能醫(yī)用氣囊導(dǎo)管的研制為臨床微創(chuàng)手術(shù)提供了新的手段和方法,將大大減少病人在微創(chuàng)手術(shù)中的創(chuàng)傷.作為更優(yōu)的設(shè)計,氣囊導(dǎo)管上集成了高密度的電極,且每個電極都采用局部放大和多路復(fù)用技術(shù)[37].這種高密度的電極分布大大提?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]可延展柔性無機(jī)微納電子器件原理與研究進(jìn)展[J]. 馮雪,陸炳衛(wèi),吳堅,林媛,宋吉舟,宋國鋒,黃永剛.  物理學(xué)報. 2014(01)
[2]柔性電子系統(tǒng)及其力學(xué)性能[J]. 許巍,盧天健.  力學(xué)進(jìn)展. 2008(02)



本文編號：2991622