可拉伸和可折叠的电子器件制造技术

这里公开的是可拉伸、可折叠和选择性地可印刷的用于制造如下器件的方法和如下的器件，所述器件能够在拉伸、压缩、弯曲或其他变形时提供良好的性能，诸如半导体、电子电路以及其部件。应变隔离层向功能器件层提供良好的应变隔离。多层器件被构造以将中性机械表面定位在重合或邻近于功能层的位置，该功能层具有对应力导致的损坏敏感的材料。中性机械表面通过具有空间非均匀性的特性的一个或多个层被定位，诸如通过图样化多层器件中的任意层被定位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可拉伸和可折叠的电子器件相关申请的交叉参引本申请要求于2008年3月5日递交的第61/033，886号、2008年6月16日递交的 第61/061，978号，以及2008年7月观日递交的第61/084，045号美国临时专利申请的利 益，上述每一个申请以不与本专利技术发生冲突的程度引入此处。关于政府赞助的研究或开发的声明本专利技术至少部分是在美国政府支持下做出的，即由美国国家科学基金会赞助 的DMI-0328162和ECCS-0824129号项目，和由美国能源部赞助的DEFG02-91ER45439、 DEFG02-07ER46471和DEFG02-07ER46453号项目。美国政府享有本专利技术的某些权利。
技术介绍
自从印刷全聚合物晶体管于1994年首次面世以来，人们开始极大地关注一种包 括在塑料衬底上的柔性集成电子器件的潜在新型电子系统。近来，大量研究指向 了开发用于柔性塑料电子器件的导体、电介质和半导体元件的新型的可溶液加工的材料。 但是，柔性电子器件领域的进展并不仅仅由新型可溶液加工的材料的发展来推动，也同样 由新的器件部件结构、有效的器件以及器件部件加工方法，以及能够应用至柔性电子系统 的高分辨率图样化技术来推动。希望这类材料、器件结构以及制造方法将在迅速新兴的新 型柔性集成电子器件、系统和电路中扮演重要的角色。对柔性电子器件领域的关注源自于这一技术提供的诸多重要的优势。例如，这些 衬底材料的固有柔性允许它们集成至许多形状，以提供通过脆性的常规硅基电子器件不可 能形成的大量有用的器件构造。另外，可溶液加工的部件材料与柔性衬底的结合使得通过 连续的、高速印刷技术以低成本在大衬底上制造电子器件成为可能。但是，对具有优良的电子性能的柔性电子器件的设计和制造也存在许多艰难的挑 战。首先，用于制造常规硅基电子器件的成熟方法与大部分柔性材料是不相容的。例如，传 统的优质无机半导体部件——诸如单晶硅或锗半导体——一般是通过在明显超过大多数 塑料衬底的熔化温度或分解温度的温度(> 1000摄氏度)下生长薄膜来形成。此外，大部 分无机半导体在常规溶剂中，并不是固有可溶的，从而允许进行基于溶液的加工和传输。其 次，虽然许多非晶硅、有机或有机-无机混合半导体能够被相容地纳入柔性衬底，且可以在 相对低的温度下加工，但是这些材料并不具有能够提供性能优良的集成电子器件的电子性 能。例如，具有由这些材料制成的半导体元件的薄膜晶体管显示出的场效应迁移率较互补 的基于单晶硅的器件少约三个数量级。由于这些局限性，柔性电子器件当前被限于不要求 高性能的特定应用，诸如用于具有非发光型像素的有源矩阵平板显示器的开关元件，以及 发光二极管。柔性电子电路是在如下多个领域中的一个活跃研究空间，这些领域包括柔性显示 器、任意形状的电活性表面诸如电子织物以及电子皮肤。这些电路通常无法充分适应其周 围环境，因为导电元件不能根据形态变化而拉伸。因此，这些柔性电路容易出现损坏、电子6退化，以及在严格和/或重复的形态改变下变得不可靠。柔性电路需要在经历拉伸和松弛 的循环下仍能保持完好状态的可拉伸和可弯曲的互联部。能够弯曲并具有弹性的导体通常通过将金属颗粒嵌入诸如硅树脂的弹性体而形 成。这些导电橡胶是同时具有机械弹性和导电性的。导电橡胶的缺陷包括高的电阻率和在 拉伸下发生的显著阻抗变化，因此导致了总体上较差的互联性能和可靠性。Gray等人讨论了使用包覆在硅树脂弹性体中的微制造的曲折线来构造弹性体电 子器件，该微制造的曲折线能够承受最高达到的线性应变且同时保持导电性能。在该 项研究中，所述线被形成为螺旋弹簧状。与在较小的应变(例如，2. 4%)下就断裂的直线 相反，曲折线在明显更大的应变(例如，27. 2% )下仍然保持导电。这样的线结构依赖于线 通过弯曲伸长而非拉伸伸长的能力。那系统在可控地和精确地在其他平面上图样化出不同 形状的能力方面受到了限制，从而限制了将该系统调整至适应不同的应变和弯曲方案的需 求的能力。研究显示，弹性可拉伸金属互联部随着机械应变将出现阻抗的增加(Mandlik等， 2006)。Mandlik等人试图通过将金属薄膜沉积在金字塔形纳米图样化的表面上来使这种阻 抗的改变最小化。但是该研究依赖于浮凸特征(relief feature)来产生影响薄金属线拉 伸性的微狭缝。所述微狭缝通过离开平面的扭曲和变形促进了金属的弹性变形。但是这些 金属狭缝与厚的金属薄膜并不相适应，只是与沉积在图样化弹性体的顶端上的相当窄范围 的金属薄膜(例如，大约小于30纳米)相适应。一种为金属互联部提供拉伸性的方法是，通过在导体(例如，金属)应用中将衬 底预加应变(例如，15% -25% )，然后自然地松开预应变，从而使金属导体互联部形成波 状(见例如 Lacour 等人(2003) ； (2005) ； (2004)，Jones 等人(2004) ；Huck 等人(2000)； Bowden等人(1998))。Lacour等人Q003)报道了，通过首先压缩金条以产生自然皱缩的金 条，电连接在最高达22%的应变下仍被保持(相比较，弹性衬底上的金薄膜在数个百分点 的应变时就断裂)。但是，该研究使用相对较薄层的金属膜(例如，约105纳米)，并且其相 对限制之处在于，该系统仅能潜在地制造可以拉伸约10%的导体。从前文中可以清晰地看出，需要具有改进的拉伸性、电学特性的电子器件，诸如互 联部和其他电子部件，以及用于快速并可靠地制造处于各种不同构造的可拉伸互联部的相 关方法。人们希望柔性电子器件领域的进展在大量重要的不断涌现和已有的技术中扮演关 键角色。但是，柔性电子技术在这些应用上的成功相当程度上依赖于以下方面的持续发展， 即，新型材料、器件构造，以及用于制造在挠曲、变形和弯曲形态下显示出良好的电子、机械 和光学特性的集成电子电路和器件的商业可行制造方法。特别地，需要在折叠、拉伸和/或 收缩的形态下显示出有用的电子和机械特性的高性能的、可机械应变的材料和器件构造。
技术实现思路
可高度弯曲和拉伸的电子器件以及用于制造这类器件的方法可以通过如下方法 获得，即，控制中性机械表面(neutral mechanical surface)的位置以对应应变敏感层，或 选择性地使用应变隔离层将应变敏感层与所施加的应力和应变隔离开。所述方法和器件可 以用于各种各样的应用和器件，诸如在弯曲系统以及经受机械变形的系统中的电子系统 和光电系统。所述方法和器件将高质量的电子材料——诸如硅纳米带和其他无机纳米材料的对齐阵列——以多层中性机械平面设计和选择性的“波状”结构布局的方式与超薄和弹 性体衬底相结合。根据具体的机械学模型的这类方法促进了使用发展成熟的电子材料设计 和制造各种类型的集成电路以及高度集成的光电系统，否则这些材料的内在脆性、易碎的 机械特性将使它们不可能用在所述应用中。所述系统和方法能够提供具有与构造在脆性半 导体晶片上的现有技术器件相当的性能水平的不受应变限制的电学器件。例如，这里提供 的系统最小化或消除了机械应变对器件性能的影响，从而促进了将这些器件用在各种各样 的应用中，以及使这些器件具有任意几何形状。在其他方面，这里提供的系统获得了共形的 (shape-conforming)本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种制造可拉伸和可折叠的电子器件的方法，所述方法包括：ａ．将具有第一杨氏模量的接收衬底涂覆以具有第二杨氏模量的隔离层，所述隔离层具有接收表面，其中所述第二杨氏模量小于所述第一杨氏模量；ｂ．在承载衬底上提供可印刷的电子器件；ｃ．将所述可印刷的电子器件从所述承载衬底转移至所述隔离层接收表面；其中所述隔离层将所述被转移的电子器件的至少一部分与施加的应变隔离开来。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·罗杰斯，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学评议会，
类型：发明
国别省市：US