商品详情
书名：柔性电子制造：材料、器件与工艺
定价：198.0
ISBN：9787030430984
作者：尹周平，黄永安
版次：1
出版时间：2018-01
内容提要：
本书针对柔性显示、能源、传感等新型电子器件高效高精制造需求，从材料、器件与工艺等方面系统介绍了柔性电子制造的前沿研究领域及其进展，主要内容包括：柔性电子的功能材料、柔性功能器件、柔性电子力学与表征、薄膜沉积与器件封装、微纳图案化工艺、卷到卷制造系统以及柔性电子技术应用与展望。
目录：
目录
《微纳制造的基础研究学术著作丛书》序
序
前言
第1章 柔性电子技术概述 1
1.1 引言 1
1.2 柔性电子的发展历程 5
1.3 柔性电子器件基本结构 7
1.3.1 电子元件 8
1.3.2 柔性基板 9
1.3.3 互联导体 10
1.3.4 密封层 11
1.4 柔性电子制造关键技术 12
1.4.1 多功能电子材料 12
1.4.2 低成本制造工艺 13
1.4.3 电子器件可靠性 15
1.5 柔性电子制造的挑战 17
参考文献 18
第2章 柔性电子的功能材料 22
2.1 柔性电子的材料要求 22
2.2 材料的选择与制备 24
2.3 柔性电子绝缘材料 28
2.3.1 绝缘性 29
2.3.2 介电性 30
2.3.3 电击穿 32
2.3.4 电场极化 33
2.4 柔性电子半导体材料 34
2.4.1 硅半导体 35
2.4.2 金属氧化物半导体 36
2.4.3 有机聚合物半导体 39
2.5 柔性电子导体材料 43
2.5.1 金属导体 43
2.5.2 聚合物导体 44
2.5.3 纳米材料导体 50
2.6 柔性电子基板材料 52
2.7 电致发光材料 56
2.8 光伏材料 58
2.8.1 光伏发电原理 58
2.8.2 电子给体材料与受体材料 59
2.8.3 光伏器件结构 63
参考文献 67
第3章 柔性功能器件 76
3.1 薄膜晶体管 76
3.1.1 晶体管结构形式 78
3.1.2 晶体管工作原理 83
3.1.3 有机/无机晶体管 89
3.1.4 晶体管性能表征 93
3.2 柔性传感器 99
3.2.1 半导体传感器 101
3.2.2 应变式传感器 107
3.2.3 光传感器 109
3.2.4 物理化学传感器 113
3.2.5 电容传感器 114
3.2.6 压电传感器 119
3.3 柔性太阳能电池 121
3.3.1 肖特基型太阳能电池 121
3.3.2 pn异质结太阳能电池 122
3.3.3 染料敏化太阳能电池 124
3.3.4 有机/聚合物电池 126
参考文献 129
第4章 柔性电子多层膜结构力学与表征 134
4.1 引言 134
4.2 薄膜-基板结构 134
4.2.1 膜-基结构概述 134
4.2.2 薄膜应力来源 135
4.2.3 大变形结构设计 138
4.3 膜-基结构失效模式 140
4.3.1 膜-基结构断裂机理 140
4.3.2 膜-基结构裂纹扩展 144
4.3.3 膜-基结构分层行为 145
4.3.4 膜-基结构竞争断裂行为 146
4.4 膜-基结构弯曲 147
4.4.1 薄膜弯曲 147
4.4.2 膜-基结构的弯曲 148
4.4.3 薄膜边缘的应力集中 150
4.5 膜-基结构屈曲 151
4.5.1 屈曲基本理论 151
4.5.2 膜-基结构的单向屈曲 152
4.5.3 膜-基结构的双向屈曲 155
4.5.4 膜-基结构后屈曲分析 157
4.5.5 薄膜几何尺寸对膜-基结构屈曲的影响 159
4.5.6 膜-基结构可控屈曲 163
4.5.7 膜-基界面结合缺陷诱导屈曲 164
4.6 膜-基结构机械性能测量与表征 166
4.6.1 X射线衍射法表征残余应力 166
4.6.2 微拉曼光谱散射测残余应力 168
4.6.3 拉伸法表征膜-基界面机械性能 169
4.6.4 划痕法表征膜-基界面机械性能 170
4.6.5 压痕法表征薄膜机械性能 171
4.6.6 弯曲测试法表征薄膜机械性能 174
4.6.7 剪切法表征膜-基界面机械性能 176
4.6.8 屈曲测试法表征薄膜机械性能 177
参考文献 179
第5章 薄膜沉积与器件封装 184
5.1 引言 184
5.2 物理气相沉积 185
5.2.1 常规物理气相沉积 185
5.2.2 离子镀 188
5.3 化学气相沉积 190
5.3.1 热激活化学气相沉积 192
5.3.2 等离子体增强化学气相沉积 193
5.3.3 金属有机化合物化学气相沉积 194
5.3.4 光辅助化学气相沉积 195
5.3.5 分子束外延生长工艺 196
5.4 原子层沉积 197
5.5 薄膜封装 200
5.5.1 柔性电子器件封装要求 200
5.5.2 柔性电子器件失效原因 205
5.5.3 薄膜封装工艺 206
5.5.4 薄膜封装中的干燥剂集成 215
5.6 薄膜阻隔性能检测 216
5.6.1 湿度传感器法 216
5.6.2 称重法 217
5.6.3 钙测试法 218
5.6.4 质谱法测量 220
5.6.5 氧等离子体 221
参考文献 221
第6章 微纳图案化工艺 227
6.1 引言 227
6.2 光刻工艺 228
6.3 印刷工艺 230
6.4 软刻蚀工艺 232
6.4.1 弹性软图章制备 233
6.4.2 微接触印刷工艺 234
6.4.3 转移印刷工艺 236
6.5 纳米蘸笔直写工艺 239
6.5.1 工艺原理 239
6.5.2 热蘸笔直写工艺 242
6.5.3 电镀蘸笔直写工艺 243
6.5.4 纳米自来水笔直写工艺 244
6.5.5 DPN技术的阵列化 245
6.6 纳米压印工艺 247
6.6.1 纳米压印工艺机理 249
6.6.2 热压印工艺 252
6.6.3 紫外压印工艺 255
6.7 激光直写技术 256
6.8 喷墨打印工艺 259
6.8.1 传统喷墨打印工艺 260
6.8.2 电流体动力喷印工艺 262
参考文献 270
第7章 卷到卷制造技术 279
7.1 R2R制造工艺概况 279
7.1.1 R2R制造的优势与挑战 279
7.1.2 典型R2R系统组成 281
7.2 R2R制造对器件性能的影响 285
7.2.1 R2R工艺对几何参数的影响 286
7.2.2 R2R对器件电参数性能的影响 289
7.2.3 R2R工艺对器件可靠性的影响 291
7.3 R2R系统张力控制 293
7.3.1 基板张力波动机理 293
7.3.2 R2R基板张力波动控制 300
7.3.3 基板张力分布控制 303
7.4 R2R系统纠偏控制 305
7.4.1 基板横向动力学建模 305
7.4.2 R2R基板纠偏装置 309
7.4.3 纠偏控制方法 312
7.5 R2R集成制造系统 314
7.5.1 R2R薄膜沉积系统 314
7.5.2 R2R印刷制造工艺 316
7.5.3 R2R与纳米压印/微接触印刷 320
7.5.4 R2R流体自组装 324
参考文献 325
第8章 柔性电子应用 332
8.1 概述 332
8.2 柔性显示 333
8.2.1 电子纸 334
8.2.2 柔性AMOLED 338
8.2.3 可延展OLED 342
8.3 柔性能源 345
8.3.1 柔性薄膜太阳电池 346
8.3.2 智能服装 350
8.3.3 可延展电池 351
8.4 柔性通信 358
8.4.1 柔性RFID 358
8.4.2 可延展流体天线/导体 359
8.4.3 柔性通信雷达 363
8.5 柔性传感 365
8.5.1 人造电子皮肤 365
8.5.2 柔性光电传感器 368
8.5.3 柔性驱动 372
8.6 柔性医疗 374
8.6.1 柔性智能服饰 375
8.6.2 柔性植入式器件 377
8.6.3 表皮电子 378
参考文献 381
附录中英文对照表 387
索引 394
在线试读：
第1章 柔性电子技术概述
1.1 引言
柔性电子（flexible electronics）技术是当今*令人激动和*有前景的信息技术（information technology，IT）之一，受到学术界和工业界的广泛关注。柔性电子技术目前处于起步阶段，还没有统一的定义，不同领域的定义和内涵也不尽相同。柔性电子是建立在可弯曲或可延展基板（塑料基板、金属薄板、玻璃薄板、橡胶基板等）上的新兴电子技术，即将主动/被动的有机/无机电子器件制作在柔性基板（flexible substrate）上的技术及其应用，要求柔性电子产品在弯曲、卷曲、压缩或拉伸状态下仍能正常运行。从制造工艺方面考虑，采用印制工艺，如喷墨打印（inkjet printing）、丝网印刷（screen printing）、纳米压印（nanoimprint）或软刻蚀（soft lithography）等工艺，在柔性基板上制备电子电路，称为印制电子；从功能材料方面考虑，采用塑料、有机材料和聚合物作为功能层制备电子器件，称为塑料电子（plastic electronics）、有机电子（organic electronics）或聚合物电子；从产品尺寸方面考虑，在柔性基板上制作面积较大的电子器件，如显示器、传感器等，则称为宏电子（macro electronics）或大面积电子等。尽管目前还没有统一明确定义，但是随着电子科技的不断进步与完善，对电子产品越来越强调人性化、移动化，轻、薄、短、小已成为发展趋势。柔性电子产品更省电、更便宜、更多样化，而且操作简单、容易携带，更符合人体工程学设计。
自1962年首次在半导体（semiconductor）上制作晶体管开始，微电子技术主宰了过去50年电子工业的发展，成为通信和网络技术的核心，在国民经济、国防建设等领域中发挥着重要的作用。微电子技术以减小功能元器件特征尺寸、提高集成度为主要驱动力，达到增加运行速度和计算能力、降低操作电压的目的。传统微电子采用较硬的硅基板或平面玻璃，产品形状固定而坚硬，虽然有利于保护电子元器件，使其在使用中不会轻易损坏，但不可避免地制约了产品的延展性、柔韧性以及产品开发的灵活性和应用范围。20世纪60年代开始对有机材料电学性能进行研究，20世纪70年代以来，光导有机材料、导电聚合物、共轭半导体聚合物等的相继发现，极大地促进了有机/柔性电子的发展。低成本产品是电子领域发展的主要驱动力，要求低成本材料、低成本工艺、高生产率制造，如卷到卷（roll-to-roll，R2R）制造平台，集成了真空沉积、光刻（lithography）和印制等工艺平台。
柔性电子不仅注重于集成度和性能的提高，而且注重向超轻、超薄、耐摔、耐冲击、可以折叠、挠曲以及形状不规则等方向发展，构造分布式主动系统，将开创许多新的电子应用领域。柔性电子与微电子的主要区别如下：①实现目标不一样，柔性电子以柔性基板取代传统的刚性基板，在满足一定集成度和性能的同时，实现可卷曲折叠、轻质、透明、大面积分布式的电子系统；②采用不同的材料，柔性电子大量采用有机功能材料、纳米功能材料，在采用硅、金属等材料时需要进行特殊结构设计，以满足大变形能力的要求；③采用不同的制造工艺，柔性电子更倾向于大规模采用溶液化工艺，与大面积快速印制和R2R制造兼容，极大提高了制造效率,降低了制造成本。如果采用传统的光刻工艺，还需要转印（transfer printing）工艺将制备好的器件或结构转移到柔性基板上。
柔性电子涉及新的材料及制造技术，产生了柔性通信、柔性显示、柔性医疗、柔性传感和柔性能源等新的应用，如图1.1所示［1～7］，被视为下一代电子技术平台［8］：①大面积的应用，包括柔性显示器（flexible display）、柔性扫描仪、电子纸、盲人阅读设备、飞机的智能蒙皮等；②优异变形性能的应用，如仪表化人造生物假体、柔性电池（flexible cell）、太空膨胀结构的电子系统、柔性照明、仿生电子眼、柔性传感器（flexible sensor）和驱动器等；③多功能集成应用，实现同一平面上集成多个功能，如生物体内传感器，需要集成应变、应力、温度等传感器，并要求实现自供电等。柔性电子能够做什么，应该做什么？这些仍是现阶段值得研究的课题。
图1.1 柔性电子的典型应用
从商业角度而言，与传统由光学微影所支配的半导体产业相比，这些新兴的柔性电子器件可采用更便宜的制造工艺方法，柔性电子与传统微电子的比较如表1.1所示。硅互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）晶元一般造价为10＄/cm2，复合半导体甚至更贵。如果一个子系统中需要使用非常多的晶片，其成本将非常高。柔性电子与微电子的区别在于［9］：①商业应用层面，将柔软的基材融入电子设计，可以开辟全新的应用市场；②工艺成本层面，印刷工艺可像海报一样快速印制，避免光刻工艺，节约材料，印刷方式会比光刻工艺的成本低很多；③从投资角度层面，柔性电子制造装备投资远低于硅基半导体［10］。传统的半导体厂要数十亿甚至上百亿的投资，但印刷的方式只要投资数千万就可把基本的规模生产能力建立起来。有关微电子和柔性电子大范围使用的价格评估如图1.2所示［2］。例如，射频识别（radio frequency identification，RFID）标签在2006年是每片1美元，2008年是每片0.3美元，印制RFID价格因采用不同的基材，*高仅为0.1美元，*低为0.02美元。
图1.2 微电子和柔性电子产品大面积使用的价格评估
表1.1 柔性电子与常规电子比较
柔性电子已经表现出巨大潜力和无限商机，据IDTechEx统计，2008年柔性电子的市场销售额高达15.8亿美元，预测至2018年为469.4亿美元，其应用范围将超过传统IC，至2028年为3010亿美元，相当于目前传统IC产业的两倍。各国非常重视柔性电子研发。①美国较早开始研究柔性显示器，主要经费来源于军方，美国陆军与亚利桑那州立大学成立柔性显示器中心，在2006美国印刷电子产品会议上展出了柔性显示器，并在可绕性、非玻璃基板上开发世界**个触摸屏有源矩阵显示器，**次实现即时输入的柔性电子显示器。美国陆军ManTech计划近期实施了全彩柔性显示器，以满足陆军转型需要。②欧洲是以欧盟主导的大型计划（FP6 /FP7计划的ICT项目）投入为主，主要集中在有机显示材料、有机半导体、印刷工艺技术等方向。③日本整合产、官、学资源，成立先进移动显示材料技术研究协会，专注于卷对卷相关工艺与材料技术的研发。④韩国以三星电子公司、LG公司为主，重点为全方位产品整合技术，在柔性显示、柔性存储等方面发展迅速。⑤为确保在柔性电子领域的****地位，2009年12月7日，英国商业、创新和技能部部长曼德尔森发表了题为Plastic Electronics:A UK Strategy for Success的柔性电子发展战略，阐述了英国在柔性电子领域的优势和未来的发展目标。⑥我国也非常重视柔性电子的发展，在科技部“十二五”规划中,973计划、863计划以及国家自然科学基金委的“十二五”规划都将柔性电子列为重要的研究内容，从基础研究、技术攻关和产业化等方面对柔性电子的功能材料、制造工艺、创新的产品应用等开展研究。
诸多跨国企业与研究机构致力于柔性电子技术的研发。IBM、飞利浦、LG、索尼、夏普、三星、通用显示器等公司投入了大量的人力和资金开发相关的产品，计划将柔性显示器普及到家庭和个人应用［11］。据Engadget报道，三星在2012年推出弯曲的柔性显示屏，计划在2013或2014年对其实施量产。虽然目前的OLED（organic light-emitting diode）屏可实现超薄、弯曲特性，但是它只限于小型显示屏，未来真正使用到像OLED电视这样大型显示屏上还尚需时日。通用显示器公司研发的新一代柔性显示屏技术，*终提供视频、无线通信全套解决方案，现在已经被美国军方采用，将应用于显示地图、武器状态以及剩余燃料等信息。
柔性电子相对于微电子具有更加丰富的材料、结构与工艺研究内涵。聚合物实现了从绝缘体到半导体和导体演变，是形态跨度*大的物质，并可与旋涂、喷印、压印等溶液化工艺，以及R2R制造兼容，为柔性电子制造带来了巨大的机遇与挑战。随着学科交叉的加深，新的应用不断出现，在新型电子材料与结构、微纳制造工艺和设备等方面不断出现新的研究问题［12］。柔性电子产品整合光、电、感测功能，可以集成显示、传感、能源，形成各种不同形状的电子产品，可以开创全新的应用。柔性电子技术整合电子电路、功能材料、微纳制造等领域技术，同时横跨半导体、封装、检测、材料、化工、印刷电路、显示面板等产业，可提升传统产业附加值。因此，柔性电子技术将为产业结构和人类生活带来革命性的变化。
1.2 柔性电子的发展历程
柔性电子的发展是以应用作为驱动，随着材料的发展，为柔性电子的制造工艺提供了丰富的创新机遇。柔性电子行业目前正在不断的发展中，新的应用和制造工艺不断涌现，在不久的将来将会出现诸多意想不到的新产品和新技术。任何薄的物体都会变柔软，薄膜晶体管（thin film transistor，TFT）的出现为柔性电子的发展奠定了良好的基础。如果将薄膜（thin film）器件与柔性基板的结合视为柔性电子的开始，则柔性电子的发展历史可追溯到20世纪60年代［1］，代表性的研究成果如下：
20世纪60年代，在星际卫星太阳能电池（solar cell）阵列中，将单晶硅晶圆加工得非常薄（～100μm），以获得高的功率-重量比，然后组装到塑料基板上实现柔性。
1973年，能源危机推动了薄膜太阳能电池的发展，有效降低光伏发电的成本。由于沉积温度相对较低，氢化非晶硅（hydrogenated amorphous silicon，a-Si∶H）电池可以直接沉积在柔性金属和聚合物基板上。
1976年，RCA实验室的Wronski等报道了在不锈钢基板上制作Pt/a-Si∶H肖特基势垒（Schottky barrier）太阳能电池。在20世纪80年代早期，Okaniwa等［13］将p+-i-n+ a-Si∶H/ITO太阳能电池制作在有机聚合物薄膜基板上，并研究了太阳能电池的变形能力。
20世纪80年代中期，采用大面积等离子增强的化学蒸发沉积来实现a-Si∶H太阳能电池的制造技术，用于AMLCD（active-matrix liquid-crystal display）工业。20世纪末，具有实际意义的有机薄膜电子器件相继出现，如有机光伏电池（OPV cell）、OLED和有机场效应晶体管（organic field-effect transistor，OFET）。
1992年，美国加州大学Heeger 研究小组在Nature上首次报道了柔性OLED，他们采用聚苯胺(polyaniline,PAN)或聚苯胺混合物，利用旋涂法在柔性透明基板材料聚对苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate，PET）上制成导电膜，作为OLED 发光器件的透明阳极［10］，拉开了OLED 柔性显示的序幕，在可弯曲、柔性显示方面具有潜在优势。
1994年，Constant等［14］首次展示了在柔性基板上制造基于薄膜晶体管技术的电路。之后，多家公司和研究团队展示了在柔性基板上采用a-Si∶H、有机材料、有机-无机混合CMOS技术等制作电路。
1996年，Theiss等［15］首次在柔性不锈钢基板上成功制备高质量的非晶硅TFT，基板厚度为200 μm，TFT的开关电流比为107，关电流为1012A，具有良好的线性和饱和电流行为，次临界阈值斜率为0.5 V/decade，线性沟道迁移率（mobility）为0.5cm2/（V·s）。这种TFT能够经受较大的机械冲击和变形，为投影显示器或自发射显示器等柔性电子提供了途径。
1997年，利用激光退火工艺将多晶硅（poly-Si）TFT制作在塑料基板上。此后，许多研究团队和公司陆续展示了如何在不锈钢基板和塑料基板上制作柔性显示器［16］。
2003年，飞利浦研究实验室展示了一款4.7英寸的柔性四分之一视频传输标准（quarter video graphics array，QVGA）有源矩阵显示器，包含了76800个有机晶体管。日本先锋推出了15英寸像素为160×120全彩无源OLED柔性显示器，其重量仅有3g，亮度为70cd/m2，驱动电压为9V。
2005年，Plastic Logic 公司在第12 届国际显示器产品展上展示了其开发的柔性OLED显示屏，这款10英寸的超级视频传输标准（super video graphics array，SVGA）（600×800）有源矩阵性显示屏支持100ppi 分辨率，四级灰度，厚度不超过0.4mm。基板采用了DuPont Teijin Films 提供的低温PET，为美国E-Ink 电子纸前板。这款产品的柔韧性能非常出色，可在显示器下面安放一个压力传感器实现触摸屏的功能，而毫不影响其光学性能［11］。
2005年，Someya等［17］通过在塑料基板上集成有机晶体管和二极管制作出柔性图像扫描仪，提供了一种完全不同于目前普通扫描仪的全新扫描方式。利用有机光电探测器从纸张上白色和黑色部分的反射差进行区分。这种图像扫描设备没有任何光学和机械部件，具有质量轻、耐冲击、携带方便等优点。
2006年，Universal显示公司和Palo Alto研究中心演示了一块柔性有机发光二极管显示器，具有全彩和全动态特性，利用多晶硅TFT背板制作在不锈钢膜片上。Maier Sports研发出带有太阳能电池的冬季户外夹克原型，并在慕尼黑的ISPO国际贸易展览会首次展出。其中的薄膜太阳能电池板由Akzo Nobel 公司生产的9块非晶硅太阳能模组组成，在阳光充足的条件下，*大输出功率为2.5W。
2007年，普渡大学和西北大学合作开发的新型透明TFT，结合氧化锌和氧化铟纳米线结构，其实际表现甚至优于传统的TFT，并且可以卷曲，更适于制作在柔性基板上。这种光学透明和机械柔性电路将为下一代显示器技术，包括透明柔性电子的制备迈出关键一步［18］。
2008年，Rogers团队研发出基于单晶硅技术的高性能的半球形电子眼摄像机，采用了非常规、二维压缩阵列的晶圆级光电子，系统包含有弹性体转换单元，在系统制备过程中保持平面，加工完成后可转换为应用所需的半球形［19］。这其中涉及相关的力学理论分析，以便能够更好地将发展成熟的平面器件集成到复杂曲面物体的表面。同年还制作出可伸缩和可折叠的集成电路（integrated circuit，IC）［3］。
2008年，清华大学Xiao等［20］研究发现碳纳米管（carbon nanotube）薄膜在有音频电流通过时，具有类似扬声器的功能。这些扬声器的厚度只有几十纳米，而且
定价：198.0
ISBN：9787030430984
作者：尹周平，黄永安
版次：1
出版时间：2018-01
内容提要：
本书针对柔性显示、能源、传感等新型电子器件高效高精制造需求，从材料、器件与工艺等方面系统介绍了柔性电子制造的前沿研究领域及其进展，主要内容包括：柔性电子的功能材料、柔性功能器件、柔性电子力学与表征、薄膜沉积与器件封装、微纳图案化工艺、卷到卷制造系统以及柔性电子技术应用与展望。
目录：
目录
《微纳制造的基础研究学术著作丛书》序
序
前言
第1章 柔性电子技术概述 1
1.1 引言 1
1.2 柔性电子的发展历程 5
1.3 柔性电子器件基本结构 7
1.3.1 电子元件 8
1.3.2 柔性基板 9
1.3.3 互联导体 10
1.3.4 密封层 11
1.4 柔性电子制造关键技术 12
1.4.1 多功能电子材料 12
1.4.2 低成本制造工艺 13
1.4.3 电子器件可靠性 15
1.5 柔性电子制造的挑战 17
参考文献 18
第2章 柔性电子的功能材料 22
2.1 柔性电子的材料要求 22
2.2 材料的选择与制备 24
2.3 柔性电子绝缘材料 28
2.3.1 绝缘性 29
2.3.2 介电性 30
2.3.3 电击穿 32
2.3.4 电场极化 33
2.4 柔性电子半导体材料 34
2.4.1 硅半导体 35
2.4.2 金属氧化物半导体 36
2.4.3 有机聚合物半导体 39
2.5 柔性电子导体材料 43
2.5.1 金属导体 43
2.5.2 聚合物导体 44
2.5.3 纳米材料导体 50
2.6 柔性电子基板材料 52
2.7 电致发光材料 56
2.8 光伏材料 58
2.8.1 光伏发电原理 58
2.8.2 电子给体材料与受体材料 59
2.8.3 光伏器件结构 63
参考文献 67
第3章 柔性功能器件 76
3.1 薄膜晶体管 76
3.1.1 晶体管结构形式 78
3.1.2 晶体管工作原理 83
3.1.3 有机/无机晶体管 89
3.1.4 晶体管性能表征 93
3.2 柔性传感器 99
3.2.1 半导体传感器 101
3.2.2 应变式传感器 107
3.2.3 光传感器 109
3.2.4 物理化学传感器 113
3.2.5 电容传感器 114
3.2.6 压电传感器 119
3.3 柔性太阳能电池 121
3.3.1 肖特基型太阳能电池 121
3.3.2 pn异质结太阳能电池 122
3.3.3 染料敏化太阳能电池 124
3.3.4 有机/聚合物电池 126
参考文献 129
第4章 柔性电子多层膜结构力学与表征 134
4.1 引言 134
4.2 薄膜-基板结构 134
4.2.1 膜-基结构概述 134
4.2.2 薄膜应力来源 135
4.2.3 大变形结构设计 138
4.3 膜-基结构失效模式 140
4.3.1 膜-基结构断裂机理 140
4.3.2 膜-基结构裂纹扩展 144
4.3.3 膜-基结构分层行为 145
4.3.4 膜-基结构竞争断裂行为 146
4.4 膜-基结构弯曲 147
4.4.1 薄膜弯曲 147
4.4.2 膜-基结构的弯曲 148
4.4.3 薄膜边缘的应力集中 150
4.5 膜-基结构屈曲 151
4.5.1 屈曲基本理论 151
4.5.2 膜-基结构的单向屈曲 152
4.5.3 膜-基结构的双向屈曲 155
4.5.4 膜-基结构后屈曲分析 157
4.5.5 薄膜几何尺寸对膜-基结构屈曲的影响 159
4.5.6 膜-基结构可控屈曲 163
4.5.7 膜-基界面结合缺陷诱导屈曲 164
4.6 膜-基结构机械性能测量与表征 166
4.6.1 X射线衍射法表征残余应力 166
4.6.2 微拉曼光谱散射测残余应力 168
4.6.3 拉伸法表征膜-基界面机械性能 169
4.6.4 划痕法表征膜-基界面机械性能 170
4.6.5 压痕法表征薄膜机械性能 171
4.6.6 弯曲测试法表征薄膜机械性能 174
4.6.7 剪切法表征膜-基界面机械性能 176
4.6.8 屈曲测试法表征薄膜机械性能 177
参考文献 179
第5章 薄膜沉积与器件封装 184
5.1 引言 184
5.2 物理气相沉积 185
5.2.1 常规物理气相沉积 185
5.2.2 离子镀 188
5.3 化学气相沉积 190
5.3.1 热激活化学气相沉积 192
5.3.2 等离子体增强化学气相沉积 193
5.3.3 金属有机化合物化学气相沉积 194
5.3.4 光辅助化学气相沉积 195
5.3.5 分子束外延生长工艺 196
5.4 原子层沉积 197
5.5 薄膜封装 200
5.5.1 柔性电子器件封装要求 200
5.5.2 柔性电子器件失效原因 205
5.5.3 薄膜封装工艺 206
5.5.4 薄膜封装中的干燥剂集成 215
5.6 薄膜阻隔性能检测 216
5.6.1 湿度传感器法 216
5.6.2 称重法 217
5.6.3 钙测试法 218
5.6.4 质谱法测量 220
5.6.5 氧等离子体 221
参考文献 221
第6章 微纳图案化工艺 227
6.1 引言 227
6.2 光刻工艺 228
6.3 印刷工艺 230
6.4 软刻蚀工艺 232
6.4.1 弹性软图章制备 233
6.4.2 微接触印刷工艺 234
6.4.3 转移印刷工艺 236
6.5 纳米蘸笔直写工艺 239
6.5.1 工艺原理 239
6.5.2 热蘸笔直写工艺 242
6.5.3 电镀蘸笔直写工艺 243
6.5.4 纳米自来水笔直写工艺 244
6.5.5 DPN技术的阵列化 245
6.6 纳米压印工艺 247
6.6.1 纳米压印工艺机理 249
6.6.2 热压印工艺 252
6.6.3 紫外压印工艺 255
6.7 激光直写技术 256
6.8 喷墨打印工艺 259
6.8.1 传统喷墨打印工艺 260
6.8.2 电流体动力喷印工艺 262
参考文献 270
第7章 卷到卷制造技术 279
7.1 R2R制造工艺概况 279
7.1.1 R2R制造的优势与挑战 279
7.1.2 典型R2R系统组成 281
7.2 R2R制造对器件性能的影响 285
7.2.1 R2R工艺对几何参数的影响 286
7.2.2 R2R对器件电参数性能的影响 289
7.2.3 R2R工艺对器件可靠性的影响 291
7.3 R2R系统张力控制 293
7.3.1 基板张力波动机理 293
7.3.2 R2R基板张力波动控制 300
7.3.3 基板张力分布控制 303
7.4 R2R系统纠偏控制 305
7.4.1 基板横向动力学建模 305
7.4.2 R2R基板纠偏装置 309
7.4.3 纠偏控制方法 312
7.5 R2R集成制造系统 314
7.5.1 R2R薄膜沉积系统 314
7.5.2 R2R印刷制造工艺 316
7.5.3 R2R与纳米压印/微接触印刷 320
7.5.4 R2R流体自组装 324
参考文献 325
第8章 柔性电子应用 332
8.1 概述 332
8.2 柔性显示 333
8.2.1 电子纸 334
8.2.2 柔性AMOLED 338
8.2.3 可延展OLED 342
8.3 柔性能源 345
8.3.1 柔性薄膜太阳电池 346
8.3.2 智能服装 350
8.3.3 可延展电池 351
8.4 柔性通信 358
8.4.1 柔性RFID 358
8.4.2 可延展流体天线/导体 359
8.4.3 柔性通信雷达 363
8.5 柔性传感 365
8.5.1 人造电子皮肤 365
8.5.2 柔性光电传感器 368
8.5.3 柔性驱动 372
8.6 柔性医疗 374
8.6.1 柔性智能服饰 375
8.6.2 柔性植入式器件 377
8.6.3 表皮电子 378
参考文献 381
附录中英文对照表 387
索引 394
在线试读：
第1章 柔性电子技术概述
1.1 引言
柔性电子（flexible electronics）技术是当今*令人激动和*有前景的信息技术（information technology，IT）之一，受到学术界和工业界的广泛关注。柔性电子技术目前处于起步阶段，还没有统一的定义，不同领域的定义和内涵也不尽相同。柔性电子是建立在可弯曲或可延展基板（塑料基板、金属薄板、玻璃薄板、橡胶基板等）上的新兴电子技术，即将主动/被动的有机/无机电子器件制作在柔性基板（flexible substrate）上的技术及其应用，要求柔性电子产品在弯曲、卷曲、压缩或拉伸状态下仍能正常运行。从制造工艺方面考虑，采用印制工艺，如喷墨打印（inkjet printing）、丝网印刷（screen printing）、纳米压印（nanoimprint）或软刻蚀（soft lithography）等工艺，在柔性基板上制备电子电路，称为印制电子；从功能材料方面考虑，采用塑料、有机材料和聚合物作为功能层制备电子器件，称为塑料电子（plastic electronics）、有机电子（organic electronics）或聚合物电子；从产品尺寸方面考虑，在柔性基板上制作面积较大的电子器件，如显示器、传感器等，则称为宏电子（macro electronics）或大面积电子等。尽管目前还没有统一明确定义，但是随着电子科技的不断进步与完善，对电子产品越来越强调人性化、移动化，轻、薄、短、小已成为发展趋势。柔性电子产品更省电、更便宜、更多样化，而且操作简单、容易携带，更符合人体工程学设计。
自1962年首次在半导体（semiconductor）上制作晶体管开始，微电子技术主宰了过去50年电子工业的发展，成为通信和网络技术的核心，在国民经济、国防建设等领域中发挥着重要的作用。微电子技术以减小功能元器件特征尺寸、提高集成度为主要驱动力，达到增加运行速度和计算能力、降低操作电压的目的。传统微电子采用较硬的硅基板或平面玻璃，产品形状固定而坚硬，虽然有利于保护电子元器件，使其在使用中不会轻易损坏，但不可避免地制约了产品的延展性、柔韧性以及产品开发的灵活性和应用范围。20世纪60年代开始对有机材料电学性能进行研究，20世纪70年代以来，光导有机材料、导电聚合物、共轭半导体聚合物等的相继发现，极大地促进了有机/柔性电子的发展。低成本产品是电子领域发展的主要驱动力，要求低成本材料、低成本工艺、高生产率制造，如卷到卷（roll-to-roll，R2R）制造平台，集成了真空沉积、光刻（lithography）和印制等工艺平台。
柔性电子不仅注重于集成度和性能的提高，而且注重向超轻、超薄、耐摔、耐冲击、可以折叠、挠曲以及形状不规则等方向发展，构造分布式主动系统，将开创许多新的电子应用领域。柔性电子与微电子的主要区别如下：①实现目标不一样，柔性电子以柔性基板取代传统的刚性基板，在满足一定集成度和性能的同时，实现可卷曲折叠、轻质、透明、大面积分布式的电子系统；②采用不同的材料，柔性电子大量采用有机功能材料、纳米功能材料，在采用硅、金属等材料时需要进行特殊结构设计，以满足大变形能力的要求；③采用不同的制造工艺，柔性电子更倾向于大规模采用溶液化工艺，与大面积快速印制和R2R制造兼容，极大提高了制造效率,降低了制造成本。如果采用传统的光刻工艺，还需要转印（transfer printing）工艺将制备好的器件或结构转移到柔性基板上。
柔性电子涉及新的材料及制造技术，产生了柔性通信、柔性显示、柔性医疗、柔性传感和柔性能源等新的应用，如图1.1所示［1～7］，被视为下一代电子技术平台［8］：①大面积的应用，包括柔性显示器（flexible display）、柔性扫描仪、电子纸、盲人阅读设备、飞机的智能蒙皮等；②优异变形性能的应用，如仪表化人造生物假体、柔性电池（flexible cell）、太空膨胀结构的电子系统、柔性照明、仿生电子眼、柔性传感器（flexible sensor）和驱动器等；③多功能集成应用，实现同一平面上集成多个功能，如生物体内传感器，需要集成应变、应力、温度等传感器，并要求实现自供电等。柔性电子能够做什么，应该做什么？这些仍是现阶段值得研究的课题。
图1.1 柔性电子的典型应用
从商业角度而言，与传统由光学微影所支配的半导体产业相比，这些新兴的柔性电子器件可采用更便宜的制造工艺方法，柔性电子与传统微电子的比较如表1.1所示。硅互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）晶元一般造价为10＄/cm2，复合半导体甚至更贵。如果一个子系统中需要使用非常多的晶片，其成本将非常高。柔性电子与微电子的区别在于［9］：①商业应用层面，将柔软的基材融入电子设计，可以开辟全新的应用市场；②工艺成本层面，印刷工艺可像海报一样快速印制，避免光刻工艺，节约材料，印刷方式会比光刻工艺的成本低很多；③从投资角度层面，柔性电子制造装备投资远低于硅基半导体［10］。传统的半导体厂要数十亿甚至上百亿的投资，但印刷的方式只要投资数千万就可把基本的规模生产能力建立起来。有关微电子和柔性电子大范围使用的价格评估如图1.2所示［2］。例如，射频识别（radio frequency identification，RFID）标签在2006年是每片1美元，2008年是每片0.3美元，印制RFID价格因采用不同的基材，*高仅为0.1美元，*低为0.02美元。
图1.2 微电子和柔性电子产品大面积使用的价格评估
表1.1 柔性电子与常规电子比较
柔性电子已经表现出巨大潜力和无限商机，据IDTechEx统计，2008年柔性电子的市场销售额高达15.8亿美元，预测至2018年为469.4亿美元，其应用范围将超过传统IC，至2028年为3010亿美元，相当于目前传统IC产业的两倍。各国非常重视柔性电子研发。①美国较早开始研究柔性显示器，主要经费来源于军方，美国陆军与亚利桑那州立大学成立柔性显示器中心，在2006美国印刷电子产品会议上展出了柔性显示器，并在可绕性、非玻璃基板上开发世界**个触摸屏有源矩阵显示器，**次实现即时输入的柔性电子显示器。美国陆军ManTech计划近期实施了全彩柔性显示器，以满足陆军转型需要。②欧洲是以欧盟主导的大型计划（FP6 /FP7计划的ICT项目）投入为主，主要集中在有机显示材料、有机半导体、印刷工艺技术等方向。③日本整合产、官、学资源，成立先进移动显示材料技术研究协会，专注于卷对卷相关工艺与材料技术的研发。④韩国以三星电子公司、LG公司为主，重点为全方位产品整合技术，在柔性显示、柔性存储等方面发展迅速。⑤为确保在柔性电子领域的****地位，2009年12月7日，英国商业、创新和技能部部长曼德尔森发表了题为Plastic Electronics:A UK Strategy for Success的柔性电子发展战略，阐述了英国在柔性电子领域的优势和未来的发展目标。⑥我国也非常重视柔性电子的发展，在科技部“十二五”规划中,973计划、863计划以及国家自然科学基金委的“十二五”规划都将柔性电子列为重要的研究内容，从基础研究、技术攻关和产业化等方面对柔性电子的功能材料、制造工艺、创新的产品应用等开展研究。
诸多跨国企业与研究机构致力于柔性电子技术的研发。IBM、飞利浦、LG、索尼、夏普、三星、通用显示器等公司投入了大量的人力和资金开发相关的产品，计划将柔性显示器普及到家庭和个人应用［11］。据Engadget报道，三星在2012年推出弯曲的柔性显示屏，计划在2013或2014年对其实施量产。虽然目前的OLED（organic light-emitting diode）屏可实现超薄、弯曲特性，但是它只限于小型显示屏，未来真正使用到像OLED电视这样大型显示屏上还尚需时日。通用显示器公司研发的新一代柔性显示屏技术，*终提供视频、无线通信全套解决方案，现在已经被美国军方采用，将应用于显示地图、武器状态以及剩余燃料等信息。
柔性电子相对于微电子具有更加丰富的材料、结构与工艺研究内涵。聚合物实现了从绝缘体到半导体和导体演变，是形态跨度*大的物质，并可与旋涂、喷印、压印等溶液化工艺，以及R2R制造兼容，为柔性电子制造带来了巨大的机遇与挑战。随着学科交叉的加深，新的应用不断出现，在新型电子材料与结构、微纳制造工艺和设备等方面不断出现新的研究问题［12］。柔性电子产品整合光、电、感测功能，可以集成显示、传感、能源，形成各种不同形状的电子产品，可以开创全新的应用。柔性电子技术整合电子电路、功能材料、微纳制造等领域技术，同时横跨半导体、封装、检测、材料、化工、印刷电路、显示面板等产业，可提升传统产业附加值。因此，柔性电子技术将为产业结构和人类生活带来革命性的变化。
1.2 柔性电子的发展历程
柔性电子的发展是以应用作为驱动，随着材料的发展，为柔性电子的制造工艺提供了丰富的创新机遇。柔性电子行业目前正在不断的发展中，新的应用和制造工艺不断涌现，在不久的将来将会出现诸多意想不到的新产品和新技术。任何薄的物体都会变柔软，薄膜晶体管（thin film transistor，TFT）的出现为柔性电子的发展奠定了良好的基础。如果将薄膜（thin film）器件与柔性基板的结合视为柔性电子的开始，则柔性电子的发展历史可追溯到20世纪60年代［1］，代表性的研究成果如下：
20世纪60年代，在星际卫星太阳能电池（solar cell）阵列中，将单晶硅晶圆加工得非常薄（～100μm），以获得高的功率-重量比，然后组装到塑料基板上实现柔性。
1973年，能源危机推动了薄膜太阳能电池的发展，有效降低光伏发电的成本。由于沉积温度相对较低，氢化非晶硅（hydrogenated amorphous silicon，a-Si∶H）电池可以直接沉积在柔性金属和聚合物基板上。
1976年，RCA实验室的Wronski等报道了在不锈钢基板上制作Pt/a-Si∶H肖特基势垒（Schottky barrier）太阳能电池。在20世纪80年代早期，Okaniwa等［13］将p+-i-n+ a-Si∶H/ITO太阳能电池制作在有机聚合物薄膜基板上，并研究了太阳能电池的变形能力。
20世纪80年代中期，采用大面积等离子增强的化学蒸发沉积来实现a-Si∶H太阳能电池的制造技术，用于AMLCD（active-matrix liquid-crystal display）工业。20世纪末，具有实际意义的有机薄膜电子器件相继出现，如有机光伏电池（OPV cell）、OLED和有机场效应晶体管（organic field-effect transistor，OFET）。
1992年，美国加州大学Heeger 研究小组在Nature上首次报道了柔性OLED，他们采用聚苯胺(polyaniline,PAN)或聚苯胺混合物，利用旋涂法在柔性透明基板材料聚对苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate，PET）上制成导电膜，作为OLED 发光器件的透明阳极［10］，拉开了OLED 柔性显示的序幕，在可弯曲、柔性显示方面具有潜在优势。
1994年，Constant等［14］首次展示了在柔性基板上制造基于薄膜晶体管技术的电路。之后，多家公司和研究团队展示了在柔性基板上采用a-Si∶H、有机材料、有机-无机混合CMOS技术等制作电路。
1996年，Theiss等［15］首次在柔性不锈钢基板上成功制备高质量的非晶硅TFT，基板厚度为200 μm，TFT的开关电流比为107，关电流为1012A，具有良好的线性和饱和电流行为，次临界阈值斜率为0.5 V/decade，线性沟道迁移率（mobility）为0.5cm2/（V·s）。这种TFT能够经受较大的机械冲击和变形，为投影显示器或自发射显示器等柔性电子提供了途径。
1997年，利用激光退火工艺将多晶硅（poly-Si）TFT制作在塑料基板上。此后，许多研究团队和公司陆续展示了如何在不锈钢基板和塑料基板上制作柔性显示器［16］。
2003年，飞利浦研究实验室展示了一款4.7英寸的柔性四分之一视频传输标准（quarter video graphics array，QVGA）有源矩阵显示器，包含了76800个有机晶体管。日本先锋推出了15英寸像素为160×120全彩无源OLED柔性显示器，其重量仅有3g，亮度为70cd/m2，驱动电压为9V。
2005年，Plastic Logic 公司在第12 届国际显示器产品展上展示了其开发的柔性OLED显示屏，这款10英寸的超级视频传输标准（super video graphics array，SVGA）（600×800）有源矩阵性显示屏支持100ppi 分辨率，四级灰度，厚度不超过0.4mm。基板采用了DuPont Teijin Films 提供的低温PET，为美国E-Ink 电子纸前板。这款产品的柔韧性能非常出色，可在显示器下面安放一个压力传感器实现触摸屏的功能，而毫不影响其光学性能［11］。
2005年，Someya等［17］通过在塑料基板上集成有机晶体管和二极管制作出柔性图像扫描仪，提供了一种完全不同于目前普通扫描仪的全新扫描方式。利用有机光电探测器从纸张上白色和黑色部分的反射差进行区分。这种图像扫描设备没有任何光学和机械部件，具有质量轻、耐冲击、携带方便等优点。
2006年，Universal显示公司和Palo Alto研究中心演示了一块柔性有机发光二极管显示器，具有全彩和全动态特性，利用多晶硅TFT背板制作在不锈钢膜片上。Maier Sports研发出带有太阳能电池的冬季户外夹克原型，并在慕尼黑的ISPO国际贸易展览会首次展出。其中的薄膜太阳能电池板由Akzo Nobel 公司生产的9块非晶硅太阳能模组组成，在阳光充足的条件下，*大输出功率为2.5W。
2007年，普渡大学和西北大学合作开发的新型透明TFT，结合氧化锌和氧化铟纳米线结构，其实际表现甚至优于传统的TFT，并且可以卷曲，更适于制作在柔性基板上。这种光学透明和机械柔性电路将为下一代显示器技术，包括透明柔性电子的制备迈出关键一步［18］。
2008年，Rogers团队研发出基于单晶硅技术的高性能的半球形电子眼摄像机，采用了非常规、二维压缩阵列的晶圆级光电子，系统包含有弹性体转换单元，在系统制备过程中保持平面，加工完成后可转换为应用所需的半球形［19］。这其中涉及相关的力学理论分析，以便能够更好地将发展成熟的平面器件集成到复杂曲面物体的表面。同年还制作出可伸缩和可折叠的集成电路（integrated circuit，IC）［3］。
2008年，清华大学Xiao等［20］研究发现碳纳米管（carbon nanotube）薄膜在有音频电流通过时，具有类似扬声器的功能。这些扬声器的厚度只有几十纳米，而且