北京大学在超薄柔性电子器件研究中取得重要进展

12bet备用网址官网2018年10月25日讯  近日,北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室胡又凡研究员-彭练矛教授课题组在相关研究中取得重要进展。他们利用毛细力辅助的电化学分层工艺,实现了从硅片上无损、高效地剥离超薄的柔性器件,避免了柔性电子器件加工过程的应力损伤,并可保证超薄电子器件的制备具有100%的成功率。

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北京大学在超薄柔性电子器件研究中取得重要进展

随着消费电子的蓬勃发展,可穿戴电子设备的形态愈加多样化和人性化。超薄的柔性电子器件由于可与人体组织器官共形接触,提供更加友好的人机交互方式,受到学术界和产业界的广泛关注。这类器件的厚度一般只有微米量级,在加工过程中须黏附于刚性基板(为器件提供临时支撑)之上,但将器件从刚性基板上剥离,却易受到应力损伤。因此,高效且无损地实现柔性电子器件与刚性支撑基板之间的快速分离,是大面积制备高性能超薄柔性电子器件的关键工艺。

课题组利用高导电性的硅片作为支撑基板,在硅片表面制备出超薄的柔性聚合物衬底,于其上完成电路和功能元件的流片加工及必要封装。在剥离柔性器件的关键工艺中,引入电化学反应,使导电硅片边缘接触氯化钠(NaCl)电解质溶液,并在导电硅与电解质溶液之间施加电压;硅片的边缘在电压作用下发生阳极反应,导致硅片与柔性器件之间产生狭缝;狭缝引发毛细现象,吸引电解质溶液沿硅片表面攀升,最终使得柔性电子器件与硅片轻柔地分开。这种毛细力辅助的电化学分层工艺操作简单,剥离速度快,无需昂贵的激光器等设备;与此同时,还可以保证柔细电子器件表面干燥、清洁,避免腐蚀剂的沾污。更重要的是,这种分层工艺不引入应力损伤,具有100%的成功率,适用于Parylene(聚对二甲苯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯;课题组成功剥离该衬底上的器件,整体厚度不足200 nm)、PI(聚酰亚胺)和SEBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)等多种柔性聚合物衬底的剥离。利用这一毛细力辅助的电化学分层工艺,课题组在超薄衬底上实现了高性能的碳纳米管晶体管阵列,以及信号放大电路、CMOS(互补金属氧化物半导体)环形振荡电路等较复杂的柔性碳基集成电路,从而验证了这一工艺的广泛适用性。

这一研究使得超薄柔性电子器件的制备工艺摆脱应力损伤等困扰,降低了超薄柔性器件的加工难度,大大提升了超薄柔性电子器件的成品率,对实现超薄柔性电子器件的性能提升和规模集成具有重要的意义。2018年10月初,相关工作以《利用毛细力辅助的电化学分层工艺实现超薄柔性电子系统的晶圆级加工》(Wafer-scale fabrication of ultrathin flexible electronic systems via capillary-assisted electrochemical delamination)为题,发表于材料学领域重要期刊《先进材料》(Advanced Materials)(DOI: 10.1002/adma.201805408);信息学院博士研究生张恒为第一作者,胡又凡研究员与彭练矛教授为通讯作者。

上述研究工作得到“海外高层次人才引进计划”、国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持。

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