潮科技 | 無需外部供能驅動，柔性可穿戴電子器件取得里程碑
編者按：本文來自微信公眾號“奈米人”（ID：nanoer2015），原文題目《 iMac+MacBookAir6%2C2+OSX+OSX+10.11.6+build(15G31)&version=12010110&nettype=WIFI&lang=zh_CN&fontScale=100&pass_ticket=fbuyfeelkzhaFSZjj%2FffJmN0UdgcBFGOpTE5u%2FN13Ql0nQszvK%2Bn9HCAf7Sfbs4r" target="_blank" rel="nofollow,noindex"> Nature：柔性可穿戴電子器件里程碑新突破！ 》，作者經世，36氪經授權轉載。
第一作者：Sungjun Park, Soo Won Heo, Wonryung Lee
通訊作者：Kenjiro Fukuda, Keisuke Tajima, Takao Someya
通訊單位：日本理化研究所
研究亮點：
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1.在OPV中引入奈米圖案，實現了自供能的超柔性電子器件。
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2.全方位出色的效能，包括10.5%光伏效能、不受光照角度影響，2倍拉伸長度、優異的力學迴圈等等。
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3.活體檢測驗證心率感測的精準度。
柔性可穿戴電子器件具有質輕、易結合面板、能承受力學變形等特點，逐漸在日常生活中嶄露頭角。尤其是在生物感測器方面，已經成為心率、血壓等涉及到身體健康生物訊號監測的重要器件。
問題在於，目前所採用的生物感測器，普遍需要使用外部供能驅動，極大地限制了柔性可穿戴優勢的極致發揮。
有鑑於此，日本理化研究所Kenjiro Fukuda, Keisuke Tajima和Takao Someya等團隊合作， 發展了一種基於奈米圖案化有機太陽能電池的自供能超柔性生物感測器，實現了對心率的實時精準監測 。
圖1. 自供能超柔性生物感測器示意圖
器件設計： 研究人員以經典的超薄聚對二甲苯作為基底，在此之上整合OPV（有機光伏器件）和OECTs（有機電化學電晶體）。聚對二甲苯是一種完全線性的高度結晶結構的材料，採用獨特的真空氣相沉積工藝製備，緻密無針孔、透明無應力、不含助劑、不損傷工件、有優異的電絕緣性和防護性，是目前最有效的防潮、防黴、防腐、防鹽霧塗層材料之一。
圖2. 設計雙柵格奈米圖案的柔性OPV
核心特色： 在OPV製造工藝中，引入奈米圖案化的ZnO結構，解決了柔性電子器件的兩個老大難問題：
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1） 奈米圖案加速電子在OPV中的傳遞，實現OPV效率最大化，可大達到10.5%，是目前柔性電子器件中的最高值之一。
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2）奈米圖案削弱入射光的反射，確保器件效能不受光照角度的影響。
考慮到DVD碟片上有這種奈米圖案來儲存資訊，研究人員就找了一塊空白DVD，先將DVD上的奈米圖案複製到柔性印章，然後通過軟刻蝕技術在OPV上成功構造奈米圖案。
出色效能： 力學變形導致電學效能不穩定，是柔性電子器件面臨的普遍問題。該研究中，研究人員利用OPV的超薄特性將器件黏合在預拉伸的橡膠材料上。研究發現，器件不僅可以在應用在曲面，還能被拉伸2倍長度而不造成電學效能損失。即便是900圈拉伸鬆弛迴圈測試之後，器件效率仍可保留75%。
另外，這種OECTs可在1 V左右的低壓條件下工作，OPV完全可滿足功能要求，即便是在標準室內光照條件下。
圖3. 力學效能測試
圖4. 器件整合
活體測試： 小白鼠活體測試表明，在LED的連續光照下，器件可實現對心臟心率訊號的實時精準監測，靈敏度是常規能源驅動的OECTs的3倍以上。這主要是因為，沒有外部功能之後，避免了外部連線導致的訊號波動。
圖5. 心臟訊號監測
2個問題：
在全面實現柔性可穿戴整合之前，這項工作還面臨2大問題：
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1.電學訊號的傳遞，仍然是採用傳統的Si基硬質電子器件。
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2.OPV自供能僅適用於小功率器件，高能耗器件無法使用。
總之，這項研究採用奈米圖案化的超薄太陽能電池，實現了柔性可穿戴生物感測器進行自供能驅動，是近年來柔性可穿戴器件領域的里程碑之作，為柔性可穿戴器件的發展指明瞭新方向。
參考文獻：
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.