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无需外部供能驱动,柔性可穿戴电子器件取得里程碑

发布于 2018/09/29-06:32 标签: / /


编者按:本文来自微信公众号“纳米人”(ID:nanoer2015),原文题目《Nature:柔性可穿戴电子器件里程碑新突破!》,作者经世,36氪经授权转载。

第一作者:Sungjun Park, Soo Won Heo, Wonryung Lee

通讯作者:Kenjiro Fukuda, Keisuke Tajima, Takao Someya

通讯单位:日本理化研究所

研究亮点:

1.在OPV中引入纳米图案,实现了自供能的超柔性电子器件。

2.全方位出色的性能,包括10.5%光伏性能、不受光照角度影响,2倍拉伸长度、优异的力学循环等等。

3.活体检测验证心率传感的精准度。

柔性可穿戴电子器件具有质轻、易结合皮肤、能承受力学变形等特点,逐渐在日常生活中崭露头角。尤其是在生物传感器方面,已经成为心率、血压等涉及到身体健康生物信号监测的重要器件。

问题在于,目前所采用的生物传感器,普遍需要使用外部供能驱动,极大地限制了柔性可穿戴优势的极致发挥。

有鉴于此,日本理化研究所Kenjiro Fukuda, Keisuke Tajima和Takao Someya等团队合作,发展了一种基于纳米图案化有机太阳能电池的自供能超柔性生物传感器,实现了对心率的实时精准监测。


图1. 自供能超柔性生物传感器示意图

器件设计:研究人员以经典的超薄聚对二甲苯作为基底,在此之上集成OPV(有机光伏器件)和OECTs(有机电化学晶体管)。聚对二甲苯是一种完全线性的高度结晶结构的材料,采用独特的真空气相沉积工艺制备,致密无针孔、透明无应力、不含助剂、不损伤工件、有优异的电绝缘性和防护性,是目前最有效的防潮、防霉、防腐、防盐雾涂层材料之一。


图2. 设计双栅格纳米图案的柔性OPV

核心特色:在OPV制造工艺中,引入纳米图案化的ZnO结构,解决了柔性电子器件的两个老大难问题:

1) 纳米图案加速电子在OPV中的传递,实现OPV效率最大化,可大达到10.5%,是目前柔性电子器件中的最高值之一。

2)纳米图案削弱入射光的反射,确保器件性能不受光照角度的影响。

考虑到DVD碟片上有这种纳米图案来储存信息,研究人员就找了一块空白DVD,先将DVD上的纳米图案复制到柔性印章,然后通过软刻蚀技术在OPV上成功构造纳米图案。

出色性能:力学变形导致电学性能不稳定,是柔性电子器件面临的普遍问题。该研究中,研究人员利用OPV的超薄特性将器件黏合在预拉伸的橡胶材料上。研究发现,器件不仅可以在应用在曲面,还能被拉伸2倍长度而不造成电学性能损失。即便是900圈拉伸松弛循环测试之后,器件效率仍可保留75%。

另外,这种OECTs可在1 V左右的低压条件下工作,OPV完全可满足功能要求,即便是在标准室内光照条件下。


图3. 力学性能测试

图4. 器件集成

活体测试:小白鼠活体测试表明,在LED的连续光照下,器件可实现对心脏心率信号的实时精准监测,灵敏度是常规能源驱动的OECTs的3倍以上。这主要是因为,没有外部功能之后,避免了外部连接导致的信号波动。


图5. 心脏信号监测

2个问题:

在全面实现柔性可穿戴集成之前,这项工作还面临2大问题:

1.电学信号的传递,仍然是采用传统的Si基硬质电子器件。

2.OPV自供能仅适用于小功率器件,高能耗器件无法使用。

总之,这项研究采用纳米图案化的超薄太阳能电池,实现了柔性可穿戴生物传感器进行自供能驱动,是近年来柔性可穿戴器件领域的里程碑之作,为柔性可穿戴器件的发展指明了新方向。

参考文献:

1. SungjunPark, Soo Won Heo, Wonryung Lee,KenjiroFukuda, Keisuke Tajima, Takao Someya et al.Self-powered ultra-flexibleelectronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics. Nature 2018,561,516-521.

2. Shiming Zhang and Fabio Cicoira. Flexible self-powered biosensors. Nature 2018.

THE END

来源:腾讯科技
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