纳米技术如何帮助实现柔性和可(kě)穿戴電(diàn)子产品

2021-07-27

纳米技术如何帮助实现柔性和可(kě)穿戴電(diàn)子产品

柔性和可(kě)穿戴電(diàn)子领域是两个增長(cháng)迅速并正在扩展到许多(duō)行业的领域，一些应用(yòng)程序采用(yòng)了既灵活又(yòu)可(kě)穿戴的设备。在许多(duō)情况下，可(kě)穿戴電(diàn)子设备——尤其是新(xīn)设备——将灵活适应用(yòng)户需求。不管应用(yòng)如何，这两个——如果你包括那些既灵活又(yòu)可(kě)穿戴的应用(yòng)的话——由于多(duō)年来纳米技术的进步，已经以目前的形式出现。如果没有(yǒu)高效制造方法的进步，那么许多(duō)柔性和可(kě)穿戴设备将无法实现，因為(wèi)没有(yǒu)任何材料可(kě)以执行所需的功能(néng)。

纳米技术是如何推动这些进步的

要在可(kě)穿戴和柔性電(diàn)子产品中使用(yòng)，材料必须具备许多(duō)先决条件。最明显的是，它们必须既薄又(yòu)高度灵活。如果它们不薄，它们将无法有(yǒu)效弯曲并且容易发生应力断裂。然而，一些薄的材料不灵活，这些也没有(yǒu)用(yòng)。虽然它们可(kě)用(yòng)于某些可(kě)穿戴设备，但当今的许多(duō)设备都需要以一种或另一种方式满足用(yòng)户的需求。总體(tǐ)而言，本质上具有(yǒu)柔性的電(diàn)子产品必须坚固耐用(yòng)，并且能(néng)够在各种弯曲和扭转应力下抗断裂。

还有(yǒu)另外两个非常有(yǒu)益但依赖于应用(yòng)程序的属性。所讨论的两个特性是高导電(diàn)性——随后是高電(diàn)荷载流子迁移率——和高光學(xué)透明度。对于许多(duō)传感器和监测应用(yòng)，需要高電(diàn)导率，因為(wèi)当材料因局部环境中的刺激而发生变化时，它会通过设备中传感材料的電(diàn)导率变化来检测 - 这是柔性/可(kě)穿戴传感器中的纳米材料。另一方面，光學(xué)透明度与其他(tā)应用(yòng)更相关，在这些应用(yòng)中，光需要能(néng)够穿过器件或器件的一部分(fēn)。柔性屏幕是此类应用(yòng)的一个示例。

没有(yǒu)多(duō)少材料表现出所有(yǒu)这些特性。值得庆幸的是，纳米技术的出现和进步产生了许多(duō)具有(yǒu)大部分(fēn)（如果不是全部）这些特性的材料。没有(yǒu)其他(tā)明确的材料领域——从有(yǒu)机分(fēn)子到固态无机复合物(wù)和微制造——可(kě)以生产出特性与这些设备的需求如此吻合的材料，这就是纳米技术在商(shāng)业实现中发挥重要作用(yòng)的原因。这些设备。有(yǒu); 然而，使用(yòng)柔性有(yǒu)机分(fēn)子（即聚合物(wù)材料）生产柔性電(diàn)子产品的运动日益增長(cháng)，但它们目前在效率方面落后于纳米材料。尽管如此，这是一个正在缓慢增長(cháng)的领域。这主要是因為(wèi)这些有(yǒu)机電(diàn)子产品中的大部分(fēn)都是可(kě)印刷的，

纳米技术一直处于开发这些電(diàn)子产品的最前沿还有(yǒu)另一个原因，那就是因為(wèi)许多(duō)纳米材料是可(kě)调的，它们的特性是可(kě)调的，并且制造过程是可(kě)调的。换句话说，纳米材料的局部结构可(kě)以在整个合成过程中改变和定制，或者它们可(kě)以在形成后进行掺杂和功能(néng)化。所有(yǒu)这些因素都会改变纳米材料的特性，以满足应用(yòng)的特定要求。这种可(kě)调性使纳米材料成為(wèi)许多(duō)不同柔性和可(kě)穿戴電(diàn)子系统的通用(yòng)构建块。

然而，纳米材料的加入并非没有(yǒu)挑战。碳纳米管 (CNT) 是最早进行试验的纳米材料之一，但在分(fēn)散和排列 CNT 方面存在一些问题。从那时起，碳纳米管问题已经解决，但该行业已转向使用(yòng)其他(tā)纳米材料，即不同的 2D 材料。虽然二维六方氮化硼和过渡金属二硫属化物(wù) (TMDC) 材料已用(yòng)于柔性電(diàn)子产品，但石墨烯表现出最大的希望并被广泛利用(yòng)。造成这种情况的原因有(yǒu)很(hěn)多(duō)，但简而言之，石墨烯可(kě)以满足柔性和可(kě)穿戴電(diàn)子产品的每一个特性需求：

它具有(yǒu)任何材料中已知最高的导電(diàn)性和電(diàn)荷载流子迁移率。

它是一种高度柔韧的单层材料——随着层数的增加，它的柔韧性会降低。

它的光學(xué)透明度為(wèi) 98.7%，这意味着它可(kě)用(yòng)于制造高度透明的设备。

它具有(yǒu)极高的抗拉强度。

它对高温、高压和腐蚀性化學(xué)环境具有(yǒu)非常高的稳定性。

在这个领域需要注意的其他(tā)关键材料包括纳米線(xiàn)和量子点，因為(wèi)它们有(yǒu)可(kě)能(néng)被整合到柔性和可(kě)穿戴電(diàn)子设备中并带来独特的特性。

重点应用(yòng)领域

柔性電(diàn)子产品在两个主要领域已经找到了商(shāng)业用(yòng)途——或者至少正在筹备中。它们是柔性太阳能(néng)電(diàn)池和柔性触摸屏。就商(shāng)业上发现的柔性屏幕而言，目前处于领先地位的是有(yǒu)机发光二极管 (OLED)（在另一种材料之上的有(yǒu)机分(fēn)子薄膜），但公司开始研究结合量子点的可(kě)能(néng)性进入 OLED 设备。此外，现在可(kě)以使用(yòng)多(duō)个使用(yòng)石墨烯的柔性屏幕，其中石墨烯和聚合物(wù)层彼此堆叠。据说第一款使用(yòng)石墨烯的商(shāng)用(yòng)“完全可(kě)折叠”智能(néng)手机和筆(bǐ)记本電(diàn)脑最快可(kě)能(néng)在明年面世。

就采用(yòng)纳米材料的太阳能(néng)電(diàn)池而言，其效率正在提高。虽然它们的效率不如其他(tā)一些太阳能(néng)電(diàn)池高，但可(kě)以使用(yòng)纳米材料使它们变得灵活。因此，它们可(kě)以符合建筑物(wù)的几何形状，这使它们能(néng)够捕获更多(duō)来自太阳的光子。因此，它们的能(néng)量转换效率可(kě)能(néng)没有(yǒu)那么高，但它们有(yǒu)可(kě)能(néng)捕获更多(duō)可(kě)以转化為(wèi)電(diàn)能(néng)的光子。此外，另一个增長(cháng)领域是将纳米材料制成墨水形式，在那里它们可(kě)用(yòng)于制造可(kě)印刷的太阳能(néng)電(diàn)池。

使用(yòng)可(kě)穿戴和柔性電(diàn)子设备原理(lǐ)的关键领域之一是用(yòng)于诊断、健康监测和运动监测的医疗传感器。柔性電(diàn)子产品使用(yòng)纳米材料，因此它们可(kě)以贴合皮肤的形状并充当传感器。在某些情况下，它们可(kě)以留在患者身上并通过物(wù)联网 (IoT) 进行遠(yuǎn)程监控。

每个应用(yòng)程序都使用(yòng)纳米材料的不同特性，以定制的方法用(yòng)于特定用(yòng)途。随着制造方法的进一步发展，将会有(yǒu)更多(duō)灵活和可(kě)穿戴的電(diàn)子设备进入市场。

总體(tǐ)而言，纳米材料在制造和特性定制方面的改进有(yǒu)助于柔性和可(kě)穿戴電(diàn)子领域的发展。就目前而言，學(xué)术界有(yǒu)许多(duō)应用(yòng)程序正在试验中。鉴于目前纳米材料的进步速度，不久之后这些进步将进一步实现到更商(shāng)业化的柔性和可(kě)穿戴電(diàn)子设备中。