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納米技術(shù)如何幫助實現(xiàn)柔性和可穿戴電子產(chǎn)品
納米技術(shù)如何幫助實現(xiàn)柔性和可穿戴電子產(chǎn)品
柔性和可穿戴電子領(lǐng)域是兩個增長迅速并正在擴(kuò)展到許多行業(yè)的領(lǐng)域，一些應(yīng)用程序采用了既靈活又可穿戴的設(shè)備。在許多情況下，可穿戴電子設(shè)備——尤其是新設(shè)備——將靈活適應(yīng)用戶需求。不管應(yīng)用如何，這兩個——如果你包括那些既靈活又可穿戴的應(yīng)用的話——由于多年來納米技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)以目前的形式出現(xiàn)。如果沒有高效制造方法的進(jìn)步，那么許多柔性和可穿戴設(shè)備將無法實現(xiàn)，因為沒有任何材料可以執(zhí)行所需的功能。
納米技術(shù)是如何推動這些進(jìn)步的
要在可穿戴和柔性電子產(chǎn)品中使用，材料必須具備許多先決條件。最明顯的是，它們必須既薄又高度靈活。如果它們不薄，它們將無法有效彎曲并且容易發(fā)生應(yīng)力斷裂。然而，一些薄的材料不靈活，這些也沒有用。雖然它們可用于某些可穿戴設(shè)備，但當(dāng)今的許多設(shè)備都需要以一種或另一種方式滿足用戶的需求。總體而言，本質(zhì)上具有柔性的電子產(chǎn)品必須堅固耐用，并且能夠在各種彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力下抗斷裂。
還有另外兩個非常有益但依賴于應(yīng)用程序的屬性。所討論的兩個特性是高導(dǎo)電性——隨后是高電荷載流子遷移率——和高光學(xué)透明度。對于許多傳感器和監(jiān)測應(yīng)用，需要高電導(dǎo)率，因為當(dāng)材料因局部環(huán)境中的刺激而發(fā)生變化時，它會通過設(shè)備中傳感材料的電導(dǎo)率變化來檢測 - 這是柔性/可穿戴傳感器中的納米材料。另一方面，光學(xué)透明度與其他應(yīng)用更相關(guān)，在這些應(yīng)用中，光需要能夠穿過器件或器件的一部分。柔性屏幕是此類應(yīng)用的一個示例。
沒有多少材料表現(xiàn)出所有這些特性。值得慶幸的是，納米技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步產(chǎn)生了許多具有大部分（如果不是全部）這些特性的材料。沒有其他明確的材料領(lǐng)域——從有機(jī)分子到固態(tài)無機(jī)復(fù)合物和微制造——可以生產(chǎn)出特性與這些設(shè)備的需求如此吻合的材料，這就是納米技術(shù)在商業(yè)實現(xiàn)中發(fā)揮重要作用的原因。這些設(shè)備。有; 然而，使用柔性有機(jī)分子（即聚合物材料）生產(chǎn)柔性電子產(chǎn)品的運動日益增長，但它們目前在效率方面落后于納米材料。盡管如此，這是一個正在緩慢增長的領(lǐng)域。這主要是因為這些有機(jī)電子產(chǎn)品中的大部分都是可印刷的，
納米技術(shù)一直處于開發(fā)這些電子產(chǎn)品的最前沿還有另一個原因，那就是因為許多納米材料是可調(diào)的，它們的特性是可調(diào)的，并且制造過程是可調(diào)的。換句話說，納米材料的局部結(jié)構(gòu)可以在整個合成過程中改變和定制，或者它們可以在形成后進(jìn)行摻雜和功能化。所有這些因素都會改變納米材料的特性，以滿足應(yīng)用的特定要求。這種可調(diào)性使納米材料成為許多不同柔性和可穿戴電子系統(tǒng)的通用構(gòu)建塊。
然而，納米材料的加入并非沒有挑戰(zhàn)。碳納米管 (CNT) 是最早進(jìn)行試驗的納米材料之一，但在分散和排列 CNT 方面存在一些問題。從那時起，碳納米管問題已經(jīng)解決，但該行業(yè)已轉(zhuǎn)向使用其他納米材料，即不同的 2D 材料。雖然二維六方氮化硼和過渡金屬二硫?qū)倩?span> (TMDC) 材料已用于柔性電子產(chǎn)品，但石墨烯表現(xiàn)出最大的希望并被廣泛利用。造成這種情況的原因有很多，但簡而言之，石墨烯可以滿足柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的每一個特性需求：
它具有任何材料中已知最高的導(dǎo)電性和電荷載流子遷移率。
它是一種高度柔韌的單層材料——隨著層數(shù)的增加，它的柔韌性會降低。
它的光學(xué)透明度為 98.7%，這意味著它可用于制造高度透明的設(shè)備。
它具有極高的抗拉強(qiáng)度。
它對高溫、高壓和腐蝕性化學(xué)環(huán)境具有非常高的穩(wěn)定性。
在這個領(lǐng)域需要注意的其他關(guān)鍵材料包括納米線和量子點，因為它們有可能被整合到柔性和可穿戴電子設(shè)備中并帶來獨特的特性。
重點應(yīng)用領(lǐng)域
柔性電子產(chǎn)品在兩個主要領(lǐng)域已經(jīng)找到了商業(yè)用途——或者至少正在籌備中。它們是柔性太陽能電池和柔性觸摸屏。就商業(yè)上發(fā)現(xiàn)的柔性屏幕而言，目前處于領(lǐng)先地位的是有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED)（在另一種材料之上的有機(jī)分子薄膜），但公司開始研究結(jié)合量子點的可能性進(jìn)入 OLED 設(shè)備。此外，現(xiàn)在可以使用多個使用石墨烯的柔性屏幕，其中石墨烯和聚合物層彼此堆疊。據(jù)說第一款使用石墨烯的商用“完全可折疊”智能手機(jī)和筆記本電腦最快可能在明年面世。
就采用納米材料的太陽能電池而言，其效率正在提高。雖然它們的效率不如其他一些太陽能電池高，但可以使用納米材料使它們變得靈活。因此，它們可以符合建筑物的幾何形狀，這使它們能夠捕獲更多來自太陽的光子。因此，它們的能量轉(zhuǎn)換效率可能沒有那么高，但它們有可能捕獲更多可以轉(zhuǎn)化為電能的光子。此外，另一個增長領(lǐng)域是將納米材料制成墨水形式，在那里它們可用于制造可印刷的太陽能電池。
使用可穿戴和柔性電子設(shè)備原理的關(guān)鍵領(lǐng)域之一是用于診斷、健康監(jiān)測和運動監(jiān)測的醫(yī)療傳感器。柔性電子產(chǎn)品使用納米材料，因此它們可以貼合皮膚的形狀并充當(dāng)傳感器。在某些情況下，它們可以留在患者身上并通過物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
每個應(yīng)用程序都使用納米材料的不同特性，以定制的方法用于特定用途。隨著制造方法的進(jìn)一步發(fā)展，將會有更多靈活和可穿戴的電子設(shè)備進(jìn)入市場。
總體而言，納米材料在制造和特性定制方面的改進(jìn)有助于柔性和可穿戴電子領(lǐng)域的發(fā)展。就目前而言，學(xué)術(shù)界有許多應(yīng)用程序正在試驗中。鑒于目前納米材料的進(jìn)步速度，不久之后這些進(jìn)步將進(jìn)一步實現(xiàn)到更商業(yè)化的柔性和可穿戴電子設(shè)備中。