华中科技大学陶光明教授团队《Mater. Today》：柔性电子的新前沿 - 热拉制先进功能纤维

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电子设备正在从刚性向柔性可拉伸结构演变，这使得电子产品能够无缝地集成到日常生活中。各种电子材料在热拉制纤维内的集成已经成为制造先进功能纤维电子产品的通用平台。一个极其重要的平台。这种方法利用了宏观预制棒的热拉制，功能材料或预制器件被置于特定位置，以非常简单和可扩展的方式产生数公里长的具有复杂体系结构和功能电子纤维。将不同的电子、光电子、热机械、流变学和声学特性的电子材料与单丝纤维相结合，产生感知刺激、交流、储存和转换能量、调节温度、监测健康和解剖大脑的功能。

华中科技大学陶光明教授团队与多个国际顶级研究团队合作在材料科学顶级期刊Materials Today(IF: 25)发表题为“Thermally drawn advanced functional fibers: new frontier of flexible electronics”综述性论文。文章回顾了热拉制光纤电子技术的发展，重点介绍了其在通讯、传感、能源、人造肌肉、3D打印、医疗保健，神经科学、纳米科学与制造、光纤材料的基础科学等研究领域具有的独特机会和广阔的应用前景，总结了在纤维和织物中实现类似于“摩尔定律”的前景和未来研究所面临的挑战，为织物成为计算和人工智能的下一个前沿奠定了基础。该技术将具有不同的电子、光电子、热机械、流变学和声学特性的电子材料或高性能微型态器件一步组装到单根纤维中，之后再可利用传统的纺织技术将其集成到织物中，为织物成为计算和人工智能的下一个前沿奠定了基础。

图1 多功能智能织物集成多材料纤维电子示意图

制备集成多材料和复杂结构的光纤电子纤维器件在工艺上具有挑战性。以热拉制为核心的典型工业生产方法应运而生。文章列出了热拉制纤维历史发展的代表性作品。此方法集成了具有不同光学、电子和光电子特性的不同材料，在宏观预制棒内设计结构，然后通过将预制棒热拉制成纤维，使纤维保持预制棒的复杂结构和和功能，从而得到具有高密度器件和各种功能的纤维。

为了满足传感和材料加工中对柔性和低损耗的要求，开发了空芯微结构光纤，它将光限制在一个由交替层组成的光子带隙反射镜的空芯核心上。光子带隙的主要影响因素是各层的厚度和折射率，它们决定了布拉格光纤的光学特性。与其他光子带隙光纤相比，布拉格光纤易于制造，且其光子带隙易于控制，传输损耗低，从而被广泛应用于激光手术刀、光学谐振器以及自检测高功率传输等多种领域中。

图2 中红外传输介质及光子带隙光纤制备工艺

用于调制激光发射的电子纤维，可用来制作一种纤维轴横向平面的圆柱对称激光发射的全向激光器，在全向成像、生物医学检测和光动力治疗等方面具有重要的应用价值，因为它提供了一个比普通光纤更大的激光发射表面积。新型激光材料的研究正引起人们极大的兴趣，并为下一代全光纤光子系统的发展提供了广阔的前景。

图3 纤维内微流体圆柱对称径向发射的全向激光器

用于应变传感的可拉伸柔性纤维应用广泛。一方面，它需要在特定的结构中实现导电材料和绝缘材料的组装；另一方面，它也在向实现关于可拉伸或柔软纤维的热拉伸工艺发展，但是由于材料的流变性能，这也成为了一项挑战。人们对此类纤维的开发越来越感兴趣，电子纤维产品展现了符合人类皮肤、生物组织、柔性机器人和织物的能力。

纤维状能量收集器在便携式和可穿戴电子系统中具有独特的优势。尽管此类基于压电材料的纤维在声学传感、太阳能电池等领域有很大进步，但是输出性能仍然远远低于平面结构。因此，在保持纤维结构独特的力学优势的同时，提高纤维发电的输出还需要进一步的研究。

图4 超弹性可拉伸纤维示意图

微流体纤维具有复杂的微通道形状，可用于研究通道中的惯性粒子聚焦行为，从而实现细胞分离和微流率传感。这些微流体装置为实验室纤维技术在化学、生化和医学领域的应用开辟了新的可能性。将电极与介电材料整合在纤维中，也可制造电容性纤维装置，实现无通道间串扰的触摸板传感器。

双向记忆开关纤维和场效应晶体管纤维得益于在电场作用下呈现可逆非晶/晶相转变的材料，这种材料的可加工性实现了长纤维的复杂电路，进一步促进交叉杆阵列柔性电子器件的发展。

图5 (a)用于细胞分离的微流控纤维(b)基于纤维的热流传感器(c)电容纤维(d)双向记忆开关纤维(e)场效应晶体管纤维

热传感器揭示了许多化学、物理和生物现象动态的重要信息，是工业加工、医疗诊断和军事防御中最常用的传感器之一，如图6所示。用于热传感、定位和制冷的纤维可以进一步织成织物，这使得它们特别适合应用于绿色建筑、工业能源管理、可穿戴电子设备、智能织物和大面积可持续能源生产系统。

图6 用于热传感、定位和制冷的纤维

用于辐射检测的纤维在核监测、地球物理勘探、放射治疗和高能物理等诸多领域都具有重要的应用价值。该纤维还可以排列成阵列探测器，其中每个纤维都可以看作是单独的像素，有望在抑制信号串扰的情况下研究辐射的空间分布。

图7 纤维人造肌肉示意图

将电能、化学能或热能转化为机械变形的人造肌肉，在机器人、触觉学和修复术等领域有着广阔的应用前景。纤维人造肌肉具有独特的强度和响应能力，其可伸缩的特征尺寸为机器人和假肢的应用开辟一条新的道路(如图7)。

经研究发现用于光敏的光电子纤维中薄膜结构光纤的灵敏度要优于固态芯光纤。由于最初半导体芯均为无定形的，但无序的原子结构对器件的电子和光电子性能是有害的，于是通常采用不同的退火策略来改变半导体原子结构，如对非晶芯直接进行热退火，激光加热，利用化学溶液中的相变等，图8展示了不同工艺制备出的光电子纤维。

图8 不同工艺制备出的用于光敏的光电子纤维

非干涉无透镜成像及荧光成像是光电子纤维在无透镜成像中的典型应用。非干涉无透镜成像主要是将预制棒拉伸出坚韧的聚合物光电探测纤维后编织成轻量级，低光密度的二维和三维结构，用于测量大面积的电磁场的振幅和相位。而荧光成像则是将单根光纤及若干光电探测器集成在一起测量光电流强度，从而实现无透镜成像。

图9 电连接二极管的纤维拉伸工艺图

采用高压化学气相沉积法在多材料中制备半导体二极管不具有可扩展性，于是开发出一种新的方法：采用电连接二极管的纤维拉伸工艺，将可扩展的预制棒到光纤的拉伸过程与高性能预制半导体器件相结合(如图9)，最终得到的光电子纤维可用于光通信中。

图10 基于光纤的不同神经接口的各种应用

纤维与神经元有许多共同之处，在神经元和电子通信网络之间建立连接会开发出一种新的神经元集成电子设备，并应用于基础科学和医疗设备领域。在过去的几十年里，基于光纤的神经接口取得了显著的进展。根据接口方法，光纤器件可基本分为光接口、电接口、化学界面、用于神经修复和可再生的支架式光纤等(如图10)。

图11 1维纤维到0维颗粒示意图

多材料纤维可用于微纳制造，比如激光重组高温半导体芯光纤、纤维内合成新材料、制备纳米线、制备微纳颗粒等，作为一个前所未有的微型和纳米加工平台，利用热拉制、熔融纺丝和静电纺丝方法可以实现从1维到0维(纤维到粒子)的跨越，制备均匀的微纳颗粒(如图11)。该粒子制备方法具有可扩展性，未来微纳粒子阵列的制备将为下一代功能器件开辟新的道路。

图12 多材料纤维用于3D打印

此外，多材料纤维还可以作为3D打印的墨水，可以将具有不同物理性质的材料很好地结合在一起，打印到器件中(如图12)。通过这种方法，可以构造出任何形式的三维结构来展示设备的功能。

织物无处不在，但它们的功能几千年来一直没有改变。将多材料纤维与电子织物结合，主要包括电子纤维直接集成，或者是其他典型技术如电子设备嵌入织物衬底、直接功能化纺织表面等。此外，智能织物与人工智能(AI)相结合，电子纤维和织物可能演变成更智能的系统，具有强大的数据处理和分析能力。与刚性设备相比，采用智能面料技术的织物使数据采集过程更透明、更准确，数据质量更可靠、更真实。

图13 智能织物与人工智能(AI)相结合

这种融合了电子和光电子功能的先进功能纤维，在传感、通信、能源、机器人技术、智能织物、生物工程和神经科学等诸多技术领域具有广泛的潜在应用前景。基础科学为许多研究领域提供了巨大的机会，包括材料加工、原子和微观层面的结构控制和性能优化、不同物理和化学性质的材料的结合、流变学和界面科学以及多功能耦合。电子纤维与传统织物的结合可能会彻底改变纺织技术和工业。

文章总结这项工作时，也提出了尚存的挑战和未来的方向：预制棒的制备工艺与现有的电子技术不相容，需要发展更先进更综合的技术；可集成到热拉制平台的功能材料有限，需要继续开发新技术将不相容的功能材料与热拉制工艺集成；材料结构与性能相互作用的研究刚刚起步，为了实现复杂的功能且避免制造复杂的结构，需要控制材料的微观结构；纤维的功能将以一种可预测的方式逐步升级，在纤维和织物中形成类似“摩尔定律”，在未来几年内，集成多种功能的纤维将能够看到、听到、感觉到、交流、储存和转换能量、调节温度、监测健康和改变颜色。这些努力成果将有可能从根本上改变我们对纤维和织物的观念。纤维和织物正从单一功能、单一材料发展成具有复杂结构和功能的高度集成电子产品。集多功能于一体的纤维及织物在下一代智能、柔性、可穿戴电子产品中具有广阔的应用前景。

致谢

全体作者感谢朱美芳教授、张新亮教授、周军教授的支持。陶光明教授特别感谢国家自然科学基金(批准号61875064)、WNLO人机交互联合实验室、WNLO创新专项、HUST创新基金(批准号2172018KFYXKJC021)资助。胡润教授特别感谢国家自然科学基金(批准号:51606074)资助。魏磊教授特别感谢新加坡教育部学术研究基金二级(MOE2015-T2-2-010)、新加坡教育部学术研究基金一级(T1-001-103和MOE2019-T1-001-111)资助。周时凤教授特别感谢国家重点研发项目(2018YFB1107200)、国家自然科学基金项目(批准号:51622206、51972113)、广州市科研专项重点项目(201904020013)资助。Xiaoting Jia特别感谢国家科学基金(1847436)资助。陶肖明教授向香港特别行政区政府研究资助局(152110/16E和152009/17E)及创新及科技委员会(ITS/306/17)致谢。Fabien Sorin特别感谢瑞士CCMX材料挑战资助计划、瑞士国家科学基金会(批准号为200021_146871)和欧洲研究理事会(ERC启动批准号为679211 “FLOWTONICS”)。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119308697

DOI: 10.1016/j.mattod.2019.11.006

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