基于無機半導體材料的光子/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支撐.人與信息的交互融合是信息技術的主要發(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)半導體器件的物理形態(tài)及應用范圍,也必將在健康醫(yī)療、腦機融合、物聯(lián)網(wǎng)等領域產(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計方法進行了詳細介紹,并以大腦、心臟和皮膚可集成的可延展柔性無機電子集成器件為例展示了其在生物醫(yī)療方面的應用價值,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,最后展望了其未來發(fā)展方向. 

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

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡版彩圖)可延展柔性無機電子的結構設計.(a)波浪結構

?懟⑸杓浦票負妥?〖際醯難芯拷??并展望了未來的應用發(fā)展方向.2可延展柔性電子集成器件通過優(yōu)化的結構和中性層等力學設計后,高性能的無機半導體材料在整體性能上實現(xiàn)了柔性甚至可延展性.其中,金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metaloxidesemiconductorfield-effecttransistors,MOSFERs)是通過力學優(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體(Complem-entarymetaloxidesemiconductor,簡稱CMOS)逆變器,對CMOS回路進行不同的布局可以得到豐富的功能.圖2(a)所示的CMOS回路結合了中性軸和波浪結構的優(yōu)點,由于其振幅遠遠小于波長,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變,使得其電子學性能基本不受影響[12].CMOS回路也可采用更為優(yōu)化的非共面網(wǎng)格設計,如島橋結構(圖2(b))和蜿蜒結構[14].非共面的網(wǎng)格設計具有非圖2(網(wǎng)絡版彩圖)可延展柔性CMOS回路.(a)波浪結構[12];(b)島橋結構[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到140%.結合非共面網(wǎng)格設計和低模量的應變隔離層封裝,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電子器件通過轉(zhuǎn)印技術集成的可延展柔性無機電子在與生物體進行集成時具有得天獨厚的優(yōu)勢:(1)可延展柔性無機電子能夠適應人體及其組織柔軟、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常活動;(2

黃銀等.中國科學:物理學力學天文學2016年第46卷第4期044607-4圖3(網(wǎng)絡版彩圖)(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)狀結構柔性腦電極[34]Figure3(Coloronline)(a)Ultrathinandflexibleelectrodeforbrainsurfacerecoding[33];(b)mappingresultsfromfelineneocortex[33];(c)ultrathinmeshelectrodarray[34].高速多路復用和高時間分辨率,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].為了進一步提高柔性腦電極與組織的接觸,將超薄網(wǎng)狀結構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)、外科手術中局部組織的診斷有著重要意義.氣囊導管系統(tǒng)可顯著提高心血管疾病患者的治療水平,但其監(jiān)測到的信息強烈依賴于組織的接觸,仍不能反饋與軟組織的機械接觸以及心臟內(nèi)部的電位狀態(tài)信息[35,36].因此,研究者們設計了基于可延展柔性無機電子技術的多功能氣囊導管系統(tǒng)[37].柔性多功能氣囊導管系統(tǒng)將接觸式傳感器和多電極集成到球狀基體上,并通過蛇形導線連接(圖4(a)).圖4(b)兩圖分別展示了多功能氣囊導管與活的兔子心臟右心室直接接觸以及對心外膜進行消融治療.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)用氣囊導管的研制為臨床微創(chuàng)手術提供了新的手段和方法,將大大減少病人在微創(chuàng)手術中的創(chuàng)傷.作為更優(yōu)的設計,氣囊導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用技術[37].這種高密度的電極分布大大提?

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



本文編號：2991622