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柔性薄膜電子器件設(shè)計制備與集成技術(shù) 2 內(nèi)容提綱 一 需求與應(yīng)用二 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)三 國內(nèi)的情況和研究條件 工業(yè)需求 個人需求 過去 現(xiàn)在 未來 PNAS106 10875 2009 Science327 1603 2010 生物集成需求 可延展柔性化是微電子器件的革命性發(fā)展方向 4 現(xiàn)在 未來采用柔性電子技術(shù) 新生嬰兒護(hù)理與健康監(jiān)測 Ann Rev Biomed Eng 14 113 2012 電子器件可伸展柔性的重要意義 有機(jī)柔性電子器件的電學(xué)性能發(fā)展瓶頸 5 有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率8 3 無機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率41 1 美國NationalEnergyRenewableLaboratory 藍(lán)光有機(jī)LED外部量子效率為4 8 使用壽命小于15000小時 藍(lán)光無機(jī)LED外部量子效率達(dá)到60 使用壽命達(dá)到50000小時以上 Kim等2010年報道 有機(jī)電子器件的電學(xué)性能與無機(jī)電子器件相比 相差數(shù)倍不能利用有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)高頻高速特性 無機(jī)電子器件可伸展柔性的重要意義 6 可供生物集成電子器件的半導(dǎo)體材料 碳納米管 高的電子遷移率 比較穩(wěn)定高溫生長 電異質(zhì)性 0 1 1 10 100 1 000 10 000 聚合物 溶液處理工藝性能較差 小分子材料 性能接近于a Si真空沉積 單晶材料 需要研究固有的電荷傳輸 易碎 集成工藝存在挑戰(zhàn) Si GaAs a Si poly Si Nature 2008 NatureNano 2007 Science 2001 PNAS 2001 高速柔性無機(jī)薄膜電子器件設(shè)計原理 電子學(xué)功能部件依然采用無機(jī)材料從而保證高速功能通過力學(xué)及幾何設(shè)計使得電子器件具備柔性可延展大變形不改變器件電子學(xué)性能 基本原理 剛性材料通過結(jié)構(gòu)化力學(xué)設(shè)計實(shí)現(xiàn)柔性 高速柔性無機(jī)薄膜電子器件設(shè)計原理 島橋結(jié)構(gòu)設(shè)計 屈曲互聯(lián)導(dǎo)線設(shè)計 電子學(xué)功能部件依然采用無機(jī)材料從而保證高速功能通過力學(xué)及幾何設(shè)計使得電子器件具備柔性可延展 電子信息產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一 9 電子信息制造業(yè)收入在GDP中比重 電子信息制造產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)生產(chǎn)總值中占有重要的穩(wěn)定比例 電子信息制造業(yè)一直保持增長 但增長率在降低 高速柔性電子技術(shù)能夠促進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)革新和升級 10 二 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn) 柔性無機(jī)微納電子器件原理 介電質(zhì) 器件或連線 柔性基體 硅 傳統(tǒng) 非柔性 電子器件 柔性 電子器件 柔性化 FlexibleICs 難點(diǎn)與挑戰(zhàn) 基于無機(jī)薄膜的電子器件可延展柔性化 如何將脆性無機(jī)薄膜與柔性基體集成 大變形及疲勞載荷下薄膜器件是否失效 高速柔性薄膜電子器件設(shè)計制備與集成的挑戰(zhàn) 11 12 關(guān)鍵科學(xué)問題 高速薄膜器件的可延展柔性化與集成化設(shè)計理論 高速柔性薄膜器件的轉(zhuǎn)印實(shí)現(xiàn)及其界面物理機(jī)理 柔性環(huán)境下無機(jī)薄膜器件的高速電子學(xué)性能與退化機(jī)理 13 科學(xué)問題一 高速薄膜器件的可延展柔性化與集成化設(shè)計理論 科學(xué)難點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)脆性無機(jī)薄膜器件的可延展柔性 如何設(shè)計無機(jī)薄膜與柔性基體的集成結(jié)構(gòu) 研究思路利用力學(xué)屈曲變形使得互連導(dǎo)線或薄膜出現(xiàn)波浪狀基于分形的互連可展結(jié)構(gòu)及基體表面微結(jié)構(gòu)布控 可延展柔性結(jié)構(gòu) 聚合物柔性基體 無機(jī)薄膜或互連導(dǎo)線 聚合物柔性基體 無機(jī)薄膜或互連導(dǎo)線 14 科學(xué)問題二 高速柔性薄膜器件的轉(zhuǎn)印實(shí)現(xiàn)及其界面物理機(jī)理 科學(xué)難點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)脆性薄膜與柔性基體的轉(zhuǎn)印集成 如何控制大變形下無機(jī)薄膜 柔性基體間的界面失效 研究思路調(diào)控?zé)o機(jī)薄膜 柔性基體界面的粘附特性利用斷裂力學(xué)確定界面失效準(zhǔn)則 大變形 異質(zhì)界面 柔性器件 15 科學(xué)問題三 柔性環(huán)境下無機(jī)薄膜器件的高速電子學(xué)性能與退化機(jī)理 科學(xué)難點(diǎn)如何保證可延展柔性環(huán)境下無機(jī)薄膜的電學(xué)性能及其可靠性 研究思路通過理論分析無機(jī)薄膜在變形下的電學(xué)性能通過實(shí)驗與理論計算結(jié)合方式確定多場耦合作用下的無機(jī)薄膜的電學(xué)性能 16 主要研究內(nèi)容 力學(xué)介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化設(shè)計研究高速柔性薄膜器件的高效 大規(guī)模轉(zhuǎn)印集成技術(shù)研究滿足柔性基體集成的高速薄膜器件的微納制備技術(shù)研究柔性 剛性異質(zhì)界面對高速薄膜器件集成及電子學(xué)性能的調(diào)控機(jī)理研究具有柔性互連導(dǎo)線的高速薄膜器件的延遲機(jī)制與可靠性研究 17 1 力學(xué)介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化設(shè)計研究 圖 研究內(nèi)容 集成電路的可延展柔性化設(shè)計原理互連導(dǎo)線自相似結(jié)構(gòu)的大變形機(jī)理無機(jī)薄膜應(yīng)變隔離的新原理及其實(shí)現(xiàn)方法可延展柔性集成電路的仿真分析 科學(xué)貢獻(xiàn) 基于力學(xué)屈曲變形的結(jié)構(gòu)可延展柔性化理論技術(shù)突破 微納尺度可延展柔性結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法 島 橋構(gòu)型 自相似導(dǎo)線 18 2 高速柔性薄膜器件的高效 大規(guī)模轉(zhuǎn)印集成技術(shù)研究 研究內(nèi)容 柔性基體表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)界面粘附力調(diào)控的機(jī)理薄膜與柔性基體轉(zhuǎn)印結(jié)合過程及控制參數(shù)大規(guī)模局部主動控制的轉(zhuǎn)移印刷集成方法 科學(xué)貢獻(xiàn) 基于界面可控粘附的轉(zhuǎn)印理論與集成方法技術(shù)突破 實(shí)現(xiàn)高效高成品率的轉(zhuǎn)印技術(shù) 轉(zhuǎn)印機(jī)理 大規(guī)模轉(zhuǎn)印 19 3 滿足柔性基體集成的高速薄膜器件的微納制備技術(shù)研究 研究內(nèi)容 小型化 薄膜器件的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計和生長技術(shù)小型化 薄膜器件的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備技術(shù)面向精確轉(zhuǎn)印的襯底剝離和微結(jié)構(gòu)支撐技術(shù) 科學(xué)貢獻(xiàn) 薄膜材料的微型化設(shè)計和制備研究技術(shù)突破 滿足轉(zhuǎn)印的襯底剝離技術(shù)和微支撐結(jié)構(gòu) 襯底剝離后的微支撐結(jié)構(gòu) 20 4 柔性 剛性異質(zhì)界面對高速薄膜器件集成及電子學(xué)性能的調(diào)控機(jī)理研究 研究內(nèi)容 電 力 熱等多場耦合下的薄膜器件性能基本參量的實(shí)驗表征方法大變形情況下柔性 剛性界面對高速薄膜器件電子學(xué)性能的影響柔性基體上集成薄膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)變空間分布對電學(xué)性能的調(diào)控機(jī)理 科學(xué)貢獻(xiàn) 界面對高速薄膜器件電子學(xué)性能的調(diào)控機(jī)理技術(shù)突破 電 力 熱多場耦合性能表征方法 21 5 具有柔性互連導(dǎo)線的高速薄膜器件的延遲機(jī)制與可靠性研究 研究內(nèi)容 高速可延展無機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線延遲模型高速可延展無機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線可靠性評估薄膜 基體系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性界面強(qiáng)度在大變形情況下的演化及失效過程 科學(xué)貢獻(xiàn) 高速可延展無機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線延遲機(jī)理技術(shù)突破 薄膜器件穩(wěn)定性和失效準(zhǔn)則 大變形 22 三 國內(nèi)的情況和研究條件 通過力學(xué)機(jī)理設(shè)計的柔性無機(jī)mLED具比有機(jī)LED具有更高的亮度 更長的壽命 比傳統(tǒng)無機(jī)LED具有更低的成本和高的延展性 PNAS105 18675 18680 2008 柔性無機(jī) LED 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 通過力學(xué)機(jī)理設(shè)計的柔性無機(jī)mLED具比有機(jī)LED具有更高的亮度 更長的壽命 比傳統(tǒng)無機(jī)LED具有更低的成本和高的延展性 Science325 977 981 2009 柔性無機(jī) LED 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 可延展柔性電路板 Science320 507 511 2008 電子路板的延展性高達(dá)140 可扭轉(zhuǎn) 彎曲 PNAS105 18675 18680 2008 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 大腦上超柔的電路 電路的柔性使得其在濕潤的條件下與大腦不規(guī)則表面實(shí)現(xiàn)非常好的全面接觸 NatureMaterials9 511 517 2010 將電子元件轉(zhuǎn)移印刷到曲面上 實(shí)現(xiàn)與人眼相似的功能 同時通過內(nèi)壓的調(diào)控微調(diào)鏡頭曲面的曲率 實(shí)現(xiàn)鏡頭的縮放 可調(diào)電子眼 PNAS108 5 1788 1793 2011 Nature454 748 753 2008 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 多功能醫(yī)用導(dǎo)管利用結(jié)構(gòu)的高延展性 高達(dá)100 實(shí)現(xiàn)了將多種功能的芯片集成于導(dǎo)管頭上 減小了微創(chuàng)手術(shù)的創(chuàng)傷 多功能醫(yī)用導(dǎo)管 CPDMS NatureMaterials10 316 323 2011 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 仿表皮的的電子原件具有與皮膚相近的模量 在無需外加粘結(jié)劑的情況下 在各種工況下 褶皺 彎曲 與人體皮膚保持很好的的接觸 仿表皮的柔性電子器件 Science333 838 843 2011 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 可延展柔性電池 NATURECOMMUNICATIONS4 1543 2013 高達(dá)200 250 的延展性 研究進(jìn)展 可延展柔性無機(jī)電子器件 可延展柔性電池 NATURECOMMUNICATIONS4 1543 2013 研究進(jìn)展 柔性電子器件的制備和集成方法 32 33 研究進(jìn)展 柔性結(jié)構(gòu)破壞的大變形分析理論 分析了波浪構(gòu)型的柔性結(jié)構(gòu)薄膜屈曲的形貌和演化趨勢 Appl Phys Lett 2011