内容简介
本书为读者介绍了这一领域材料最新应用领域、技术难点、市场前景，对读者了解柔性电子材料大有益处。
目录
第1章 绪论·····1
• 1.1 引言·····1
• 1.2 柔性智能材料的发展、特性与应用·····5
• 1.3 从柔性智能材料到集成系统·····10
• 1.4 柔性集成系统的关键制备技术·····15
• 1.5 柔性智能材料与集成系统的挑战与发展趋势·····21
• 参考文献·····22
第2章 柔性智能材料概述·····25
• 2.1 引言·····25
• 2.2 柔性智能材料·····26
◦ 2.2.1 柔性导电材料·····26
◦ 2.2.2 柔性半导体材料·····40
◦ 2.2.3 柔性介电材料·····56
• 参考文献·····64
第3章 柔性智能材料的溶液加工技术·····69
• 3.1 引言·····69
• 3.2 印刷技术·····70
• 3.3 丝网印刷技术·····73
• 3.4 3D打印技术·····76
• 3.5 卷对卷印刷技术·····79
• 3.6 静电纺丝技术·····82
• 参考文献·····84
第4章 柔性智能材料的表征方法·····86
• 4.1 引言·····86
• 4.2 模量与力学表征·····88
• 4.3 电导率与电学表征·····90
◦ 4.3.1 四探针测试：精准测量电导率·····90
◦ 4.3.2 霍尔效应测试：揭示载流子特性·····91
◦ 4.3.3 介电频谱分析：研究介电特性·····92
◦ 4.3.4 电化学阻抗谱：评估电化学特性·····93
◦ 4.3.5 电容和界面电阻表征：影响器件性能·····93
• 4.4 特定功能的表征方法·····94
• 参考文献·····97
第5章 基于柔性智能材料的电子器件·····99
• 5.1 引言·····99
• 5.2 柔性薄膜晶体管·····100
◦ 5.2.1 柔性场效应晶体管·····101
◦ 5.2.2 电解质栅控场效应晶体管·····102
◦ 5.2.3 有机电化学晶体管·····105
• 5.3 柔性忆阻器·····108
◦ 5.3.1 柔性忆阻器的发展历程·····109
◦ 5.3.2 柔性忆阻器的器件结构·····109
• 5.4 柔性太阳能电池·····115
◦ 5.4.1 柔性硅薄膜太阳能电池·····117
◦ 5.4.2 柔性铜铟镓硒太阳能电池·····118
◦ 5.4.3 柔性碲化镉太阳能电池·····118
◦ 5.4.4 柔性钙钛矿太阳能电池·····119
◦ 5.4.5 柔性有机太阳能电池·····120
• 参考文献·····121
第6章 柔性电子器件的性能表征方法·····127
• 6.1 柔性薄膜晶体管的性能参数与表征方法·····127
◦ 6.1.1 OFET的器件性能参数与表征方法·····127
◦ 6.1.2 OECT的器件性能参数与表征方法·····133
• 6.2 柔性忆阻器的性能参数与表征方法·····139
◦ 6.2.1 忆阻器的可靠性测试·····139
◦ 6.2.2 忆阻器的表征·····142
• 6.3 柔性太阳能电池的性能参数与表征方法·····149
◦ 6.3.1 光电转换效率·····149
◦ 6.3.2 外量子效率·····151
◦ 6.3.3 稳定性·····152
• 参考文献·····154
第7章 柔性集成系统及其应用前景·····158
• 7.1 概述·····158
• 7.2 基于薄膜晶体管的柔性集成系统及其应用前景·····159
◦ 7.2.1 柔性OFET及其应用前景·····159
◦ 7.2.2 柔性OECT及其应用前景·····171
• 7.3 基于柔性忆阻器的柔性集成系统及其应用前景·····175
◦ 7.3.1 基于忆阻器的人工神经系统·····176
◦ 7.3.2 基于忆阻器的可穿戴器件·····184
• 7.4 基于柔性太阳能电池的柔性集成系统及其应用前景·····186
• 参考文献·····190
第8章 总结与展望·····195
试读
第1章绪论
1.1 引言
柔性智能材料（flexible smart materials）是一类兼具柔性与智能响应能力的新型功能材料。它们能够在外界环境刺激（如温度、压力、光、电、磁、湿度、pH等）下主动感知、动态响应，并表现出自适应、自修复、形状记忆或能量转换等智能行为，同时保持材料的柔韧性和可变形性。与传统的刚性电子材料相比，柔性智能材料具有独特的优势，如优异的柔性、延展性和轻薄性，能够在曲面、可拉伸或折叠的基底上进行大面积集成。这使得柔性智能材料在显示、传感、能源、医疗、国防等多个领域具有广泛的应用潜力，尤其在可穿戴器件、智能传感器、柔性显示面板、柔性太阳能电池、智能包装等方面展现出巨大的应用前景。柔性智能材料发端于20世纪70年代对有机电子材料的研究，尤其是有机光电材料的开发。随着纳米科技、材料学和工艺技术的进步，柔性智能材料的相关研究不断拓展至诸多跨学科领域。近年来，随着柔性基底材料体系的多样化和制备工艺的创新，柔性智能材料已不再局限于传统的有机电子材料和柔性显示领域。这一技术的快速发展正在引导新一代的电子产品革命，推动着智能终端、可穿戴器件、环境监测、物联网等新兴产业的快速发展。
柔性智能材料的应用领域极为广泛，包括柔性显示、印刷射频识别RFID、有机发光二极管OLED、薄膜太阳能电池、电化学传感器等。这些技术正在并将继续开辟出众多全新的电子应用领域，进而发起新一轮的电子技术革命。2000年，Science杂志将有机电子技术的进展列为年度世界十大科技成果之一，与人类基因组图草、生物克隆技术等重大发现并列，这一认可凸显了柔性智能材料的划时代意义。全球主要经济体迅速将柔性智能材料的科技研发纳入战略布局，美国、欧盟、日本、韩国等发达国家和地区均将其列为重点支持领域。英国在2010年公布的新经济发展战略“建设英国的未来”中，将柔性智能材料作为其先进制造领域的首要发展方向；韩国制定了“韩国绿色IT国家战略”，并于2010年投资720亿美元发展其OLED产业，至2024年其柔性显示市场份额占全球约42%!；(string=请提取图中文字，要求和原文一样，不要改动或者调换顺序。段落之间不要空行)日本在2011年成立了先进印刷电子技术研发联盟，重点发展印刷与薄膜技术，2023年其印刷电子产值突破350亿日元；美国2012年的总统报告中，将柔性智能材料列为先进制造11个优先发展方向之一，并于2015年成立柔性混合电子制造创新研究所（FHE-MII），累计投入超过2.5亿美元。我国政府高度关注和重视柔性智能材料的研究，国家自然科学基金“十三五”规划将柔性智能材料与器件开发列为微纳制造的主要发展方向，“十四五”规划进一步提出到2035年实现关键技术的自主可控。2023年，中国科学院发布《柔性电子技术发展报告》，预测到2030年我国柔性智能材料的产业规模将突破6000亿元人民币。2024年三星推出了厚度仅为0.6mm的柔性OLED屏幕，美国NextFlex公司开发了超薄的电子皮肤贴片（见图1-1）。
柔性智能材料需要在任意形状、柔性基底上实现纳米特征-微纳结构-宏观器件大面积集成，涉及聚合物、金属、非金属、纳米材料等电学特性迥异材料的功能界面精确形成，给其制造技术带来极大的挑战。柔性电子制造过程通常包括：纳米聚合物材料制备→纳米薄膜沉积→微纳结构图案化→大面积互连封装，其关键是如何实现不同尺寸/材质的结构、器件和系统的跨尺度制造。传统微纳电子采用光刻、电子束和离子束刻蚀等硅基制造工艺实现微纳器件结构自上而下微纳复合加工，由于其高昂的制造成本和对环境的苛刻要求很难满足柔性电子大面积、批量化、低成本制造要求。在纳米级薄膜制备、大面积微纳结构图案化、柔性电子器件高可靠封装等柔性电子制造关键技术方面，需要研究全新的制造原理、工艺与装备。
近年来，电子信息技术研究及应用发展迅猛，陆续出现了宏电子（macroelectronics）、塑料电子（plastic electronics）、印刷电子（printed electronics）、有机电子（organic electronics）、聚合物电子（polymer electronics）等与柔性电子相关的新型电子器件，其科学内涵、关键技术和应用领域相互交叉又不尽相同，亟待进一步研究、厘清和明确。柔性电子技术与产业发展同样遵循“一代材料、一代器件、一代工艺”的规律，正如硅基材料、固态电子和光刻技术是微电子赖以生存和发展的基石，柔性基材、有机电子和溶液化工艺将在柔性电子中发挥越来越重要的作用。这些技术的核心在于突破传统刚性电子的局限，通过柔性基材的多样性和制造工艺的创新，实现从纳米级到宏观级的跨尺度集成。柔性基材从早期的聚酰亚胺（PI）薄膜发展到如今的可拉伸弹性聚合物和生物兼容材料，极大地拓展了柔性电子的应用场景；溶液化工艺如喷墨打印、卷对卷印刷则为柔性电子提供了低成本、高效率的制造手段 ^{[1]} 。与此同时，柔性电子的快速发展也催生了多种技术分支的交叉融合。例如，印刷电子技术通过溶液化工艺实现大面积、低成本制造，主要应用于RFID标签和柔性传感器；有机电子则依托导电高分子的特性，广泛用于OLED显示和有机光伏器件。根据国际印刷电子市场调查公司IDTechEx的调研报告，2016年全球印刷、柔性和有机电子市场营收约为25.4亿美元，2026年市场营销预计增长至690.3亿美元。目前，印刷、柔性和有机电子市场的主要份额分别来自OLED显示、传感器、导电油墨，这三者占据了该领域99%!的(MISSING)市场份额。相对而言，可拉伸电子器件和薄膜传感器等目前所占的市场份额非常小，但由于这些产品正处于从研发走向应用的阶段，故其拥有巨大的增长潜力。例如，可拉伸电子器件在电子皮肤和智能医疗中的应用前景，以及薄膜传感器在环境监测和工业物联网中的潜力，都预示着这些技术将在未来十年内迎来爆发式增长。同时，柔性可穿戴电子的发展也面临很大的挑战，主要包括：①有机和纳米功能材料的设计、工程化制备与性能调控；②大规模溶液化加工工艺中的分辨率与精度问题；③柔性透明封装；④适当的柔性电子行业标准等。柔性电子技术目前仍处于起步阶段，尽管还没有明确的统一定义，但各国政府、跨国企业和研究机构都给予了大力的支持：2015年美国国防部与苹果公司、波音公司、哈佛大学等一起加入柔性混合电子制造创新研究所（Flexible Hybrid ElectronicsManufacturing Innovation Institute）主导了一项总投资高达1.71亿美元的军用柔性可穿戴式传感器研发项目；2007—2013年，欧盟在柔性电子领域的投资也超过了1.5亿欧元，资助了未来与新兴技术（FET）项目、欧盟第7框架计划（FP7）柔性电子、Flex-o-Fab柔性OLED照明、有机光伏(OPV)、实验电子皮肤技术(CONTEST)、嵌入式有机存储(MOMA)、柔性导电互联（INTERFLEX）以及电子与织物集成(PASTA)等多个涉及材料科学、零部件、产业工艺和应用的项目；韩国在新型的柔性显示屏领域有着主要的优势，三星和LG均已将OLED显示板商业化，并在诸多柔性电子应用中扮演着重要的角色；我国在柔性电子领域起步较晚，但中国庞大的本土市场以及政府有针对性的投资和采购计划产生了与柔性电子密切相关的巨大产品需求，如由政府采购的10亿居民身份证、运输物流用RFID标签以及非接触式可重复使用票券等使我国早已成为世界上最大的RFID市场。
为推动柔性电子技术的发展，2010年我国在苏州举办了首届印刷电子研讨会，目前这个会议已连续举办了14年；2014年成立了中国可穿戴计算产业技术创新战略联盟和中国可穿戴计算产业推进联盟。清华大学、北京大学、北京邮电大学、电子科技大学、浙江大学、华中科技大学、北京工业大学和重庆大学等高校以及中国科学院半导体研究所、微电子研究所、化学研究所和苏州纳米研究所等科研院所也在柔性电子器件的不同方面展开研究；2017年10月，京东方科技集团股份有限公司宣布第6代柔性有源矩阵有机发光二极管面板(active matrix organic light emitting diode,AMOLED)生产线实现量产，展示了多种可折叠概念的柔性屏。2019年2月，柔宇科技有限公司、华为技术有限公司等厂商相继发布了可折叠手机。我国对柔性电子技术的研究与产业化高度重视，在庞大的市场需求和政策支持下，近年来发展迅猛。例如，清华大学在柔性显示和电子皮肤领域取得了多项突破，北京大学则专注于有机电子材料的开发。此外，国家“十四五”规划明确提出，到2035年实现柔性电子关键技术的自主可控，这为我国柔性电子产业的发展指明了方向。然而，我国柔性电子技术仍面临诸多挑战，包括核心材料和装备的自主研发能力不足、制造工艺的精度和稳定性有待提升，以及行业标准的缺失等。未来，我国需进一步加大基础研究投入，突破关键技术瓶颈，同时加强国际合作与产业协同，以实现规划目标。柔性智能材料作为21世纪电子产业的重要发展方向，其重要性不仅体现在技术层面，也得到了全球学术界和产业界的广泛认可。从基础研究到产业应用，从材料创新到工艺突破，柔性智能材料及其集成系统展现出无限的可能性。尽管当前仍面临诸多科学与技术难题，但全球范围内的持续投入与协作正在加速其成熟。展望未来，柔性电子不仅将推动智能硬件和物联网的普及，还将在医疗、国防、能源等领域引发深远变革，为人类社会的智能化发展注入新的动力。
前言/序言
前言
当今世界正处在科技创新空前活跃的时期，柔性电子技术作为融合材料科学、电子信息、机械工程等多学科的前沿领域，正在以前所未有的深度和广度改变着人类的生产生活方式。《柔性智能材料与集成系统》一书应运而生，旨在系统阐述柔性智能材料的基本原理、制备工艺、表征方法及其在功能器件与集成系统中的应用，为读者构建一个从基础材料到高端系统、从理论探索到工程实践的完整知识体系。
本书开篇从柔性智能材料的宏观背景与发展脉络入手，详细剖析了柔性导电材料、半导体材料与介电材料的核心特性、设计原理与研究进展；继而聚焦于材料制备的关键环节，深入讲解了印刷技术、3D打印、卷对卷工艺、静电纺丝等现代溶液加工技术的原理与应用，并系统介绍了材料力学性能、电学特性及功能表征的先进方法。在器件层面，本书全面分析了柔性薄膜晶体管、忆阻器、太阳能电池等核心元件的结构设计、工作机制与性能优化策略，并专门就其性能表征方法进行了细致梳理。最后，本书着眼于系统集成与前沿应用，深入探讨了基于柔性电子器件的集成系统在可穿戴健康监测、人工突触仿生、柔性显示、新能源等领域的实施路径与发展前景。
本书内容兼顾基础性与前瞻性，既有对基础理论的清晰阐释，也包含对前沿技术的深入剖析；既适合作为高等院校材料、电子、物理、化学、机械等相关专业学生的教材或参考书，也可为科研院所的研究人员以及相关行业的工程师提供系统的理论指导和实践参考。面对当前柔性智能材料与集成系统在长期可靠性、大规模制备、异质集成等方面存在的挑战，本书在总结现有成果的基础上，也对其未来发展趋势进行了展望与思考，期望能够为推动我国柔性电子技术的自主创新与产业升级贡献智慧与力量。
本书由郑州大学材料科学与工程学院刘旭影、贾晗钰、孙晴晴、惠飞和孟令贤共同撰写完成。具体撰写分工如下：贾晗钰负责撰写第1章至第4章，以及第5章至第7章OECT部分的内容（共计12万字）；孙晴晴负责撰写第5章至第7章OFET部分的内容（共计2万字）；惠飞负责撰写第5章至第7章柔性忆阻器部分（共计2万字）；孟令贤负责撰写第5章至第7章柔性太阳能电池部分（共计2万字）；刘旭影负责撰写第8章的内容及通稿校稿（共计1.5万字）。全书由刘旭影、贾晗钰、孙晴晴负责统稿完成。本书的顺利完成，也离不开黄玲、张聪、王梦伟、崔璨璨、王金、刘博康几位研究生的协助，他们在资料的核查与整理工作中付出了辛勤努力。同时，特别感谢李辉、董世品两位老师对本书封面设计的鼎力相助，他们的专业设计为本书增色不少。在此，一并致以诚挚的谢意。
