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2007年3月期刊俱乐部主题:柔性电子力学
灵活的电子产品是一项新兴技术，有一系列令人兴奋的应用，从纸一样的显示器，皮肤一样的智能假肢，有机发光二极管(oled)，到可打印的太阳能电池。这些潜在的应用将深刻地影响我们日常生活的各个方面，并激发我们的好奇心:报纸和书籍的未来是什么?oled会取代灯泡和荧光灯，成为未来的照明光源吗?我们能在任何地方为电子设备供电吗?在过去几年中取得了重大进展，特别是在巨大的投资通量。例如，聚合物视觉刚刚发布第一个商业化的可滚动显示器产品(如图所示)，并于2007年1月获得2600万美元投资。的这一新兴技术未来的成功很大程度上取决于:
- 新建筑设计，新材料选择，以提高柔性设备的功能和可靠性。
- 革命性的制造工艺，为大规模生产柔性器件降低制造成本。
新建筑设计，新材料选择
目前微电子技术所采用的电子材料(如Si、SiO2、Cu)是无机的。这些无机材料具有优良的电学性能，但机械变形性能较差。导电和半导体聚合物的发现激发了人们完全用有机材料制造柔性器件的热情。然而，到目前为止，这种有机电子器件的性能仍然不尽如人意。例如在美国，最好的导电聚合物的导电性仍比典型金属低两个数量级。因此，柔性电子的合适解决方案将是有机/无机混合结构。例如，氧化铟锡薄膜(伊藤)存入polyethyleneterephthalate (宠物)通常用作柔性显示设计中的透明导体。
柔性电子设备在制造和使用过程中会受到较大的反复变形(例如，具有可滚动屏幕的手机)。而有机材料是柔韧的，可以从大的菌株中恢复，大多数无机电子材料是刚性的，在小应变下会断裂(通常是<1%）．如何使用这些材料来制造在循环载荷下具有可靠变形能力的电子器件仍然不确定。此外,有机/无机杂化体在载荷作用下表现出丰富的力学响应，其中许多尚未得到很好的理解。
革命性的制造工艺
目前的集成电路制造是一个批处理过程:一次一个组件。许多制造步骤都涉及到在这个价值10亿美元的工厂中使用腔室。这种制造工艺不适合制造柔性电子产品。例如，对于有机材料来说，当前制造步骤中的加工温度通常过高;结果器件的尺寸受到腔室大小的限制，而柔性电子器件，如薄膜太阳能电池，需要在大面积内分布电子元件。因此，需要新的制造工艺来制造坚固的，大面积的，灵活的电子器件，以成本效益和时间效率的方式。开发智能手机的兴趣激增精密卷绕对位技术其中无机电子材料的多层功能层被图案和印刷在塑料基板上，从而产生轻质、坚固和低成本的设备。尽管如此，仍有许多问题需要解决，例如层对层的配准、由于处理造成的损坏和粘合质量。科学家们还在探索其他创新工艺来制造柔性电子器件直接的经济增长,或自组装．
柔性电子技术的发展机遇与挑战并存。许多这样的挑战都源于混合材料新建筑的机械响应。随着对这种机械反应理解的进步，将会出现更多的机会。jClub的三月号包括三篇论文，反映了柔性电子力学新兴领域的挑战和机遇的各个方面。正在讨论的三份文件是:
1.用于柔性电子显示器的透明导电衬底的机电性能，Cairns, D.R.和Crawford, G.P. Proc, 93,8,1451 - 1458 (2005)
本文首先简要介绍了柔性显示技术，然后重点介绍了柔性显示中柔性阳极(如ito涂层PET)的机电性能。ITO薄涂层(~ 100nm厚)在拉伸应变为~2.3%时呈脆性和裂纹。特别令人感兴趣的是论文的第五节。在循环载荷作用下，即使应变远低于ITO初裂阈值，PET衬底上的脆性ITO薄膜仍表现出疲劳断裂行为。例如，100K循环后的SEM图像清晰地显示了ITO薄膜中的疲劳裂纹(图8)。一个值得讨论的开放性问题是，a的疲劳变形机理是什么脆兼容的PET基板上的ITO薄膜?
柔性电子学中典型的无机/有机杂化结构通常由无机材料薄膜(例如SiNx)在相对较厚的有机衬底(例如聚合物)上组成。薄膜断裂韧性以及薄膜/衬底界面附着力是在机械载荷下控制薄膜(通常是器件中的功能层)耐久性的重要属性。对于亚微米厚度的薄膜，确定这些断裂参数对于实验和建模都是相当具有挑战性的。在变形过程中，膜的断裂和界面脱粘往往是共同演化的。聚合物基体在大变形条件下发生塑性变形，这是影响断裂过程的重要因素，但目前尚未得到很好的研究。本文将破碎试验和有限元方法相结合，同时推导了脆性薄涂层与聚合物基体界面的粘结断裂韧性和薄膜涂层的粘结断裂韧性。采用内聚区模型对脱粘过程进行了模拟。本文所采用的方法可能会引起许多力学同行的兴趣，供进一步讨论。万博体育平台
3.塑料上的自组装单晶硅电路，Stauth, s.a.， Parviz, b.a.，美国国家科学技术研究所。， 103, 38, 13922 -13927 (2006)
作者展示了一种在塑料衬底上自组装电路的新方法。成千上万的单晶硅晶体管和电阻集成在柔性塑料衬底上。微米级元件自组装到塑料衬底的蚀刻通道上，形成电路。组装过程由毛细管力驱动，并通过使用不同形状的组件进行控制，包括圆形、三角形、正方形和矩形，这些组件有选择地组装在匹配的衬底通道中。建立了自组装过程中毛细管力和流体力作用的力学模型。讨论的兴趣可能是优化材料性能和实验设计，以提高这一特定组装过程的效率，或其他由自组装实现的潜在制造过程。
虽然上面提出了一些讨论主题，但我们欢迎讨论这些论文的任何方面，或柔性电子力学的一般领域。
(图片来源:Polymer Vision)
这是Racheting-Induced Stable Crack (RISC)吗?
像陶瓷这样的脆性材料比延展性材料更不易受疲劳裂纹扩展的影响。在这种情况下，聚合物衬底可能在循环载荷下发生棘轮变形。几年前，我们与英特尔的一个团队合作，研究出了棘轮诱导稳定裂纹(RISC)的特定过程(M. Huang, Z. Suo和Q. Ma)。”薄膜结构中塑性棘轮引起的裂纹"．固体力学与物理杂志，50， 1079-1098, 2002)
要研究本主题第1篇中确定的这一现象，人们可能会
此外，从这幅作品的图像来看，裂缝附近发生了很多损坏。这个裂缝不仅仅破坏了一层原子键。
疲劳裂纹附近损伤
中国,
谢谢你指出棘轮纸。
的图8中凯恩斯和克劳福德纸，沿疲劳裂纹损伤的特写视图显示，宽度约为1微米的ITO薄膜条纹出现了严重的微裂纹(几十个薄膜厚度)。本文没有大单轴张力作用下ITO裂纹的近距离图像可供比较。图1Jansson等人的论文显示了在单轴拉伸下在聚酯衬底上开裂的SiNx薄膜。SiNx的裂纹表面相当锋利，表现出典型的脆性断裂行为。
RISC附近是否有详细的损伤观察?他们看起来和伊藤电影里的相似吗?
回复:疲劳裂纹附近的损伤
Teng:凯恩斯和克劳福德论文图8中裂缝的详细形态与论文中的RISC看起来不同黄，索和马．虽然我们的论文没有包含高分辨率的图像，但我已经看到了来自英特尔和其他地方的其他图像，它们清楚地显示了一个干净的拉伸裂缝。
然而，C & C纸的图8看起来像是相互摩擦的损伤。希望一些实验学家能解释这个图像。
来自其他小组的作品
腾:
谢谢你的总结。我猜你是故意忽略了你和西格德·瓦格纳领导的普林斯顿小组在这个领域所做的工作。值得一提的还有伊利诺伊大学的John Rogers团队与Young Huang合作的可拉伸硅和其他半导体的最新研究成果。瓦格纳和罗杰斯都不是机械师。万博体育平台通过与一群机械师一起工作，他们的工作非常鼓舞人心。万博体育平台这可能是机械师在这个令人兴奋的领域做出贡献的方式。万博体育平台
RH
以前的工作在柔性电子力学重点
亲爱的瑞,
你能提供他们工作的概要，或者一些他们出版物的链接吗?
谢谢。
亨利。
关于柔性电子力学的其他一些研究
亲爱的芮和亨利:
谢谢你提出这个问题。这两个瓦格纳的组而且罗杰斯的组是柔性宏观电子学研究领域的先驱。这两个小组都与机械师密切合作，研究与柔性宏观电子学有关的机械问题。万博体育平台
锁志刚自1997年以来一直与瓦格纳的团队合作。我从2002年开始参与这项合作。我们一直关注的研究工作包括:
(1)柔性电子学中具有代表性的无机/有机杂化结构——聚合物衬底上金属薄膜的变形能力。相关出版物可供查阅在这里，在这里而且在这里。你可能还会发现一些讨论关于这个话题在iMechanica万博manbetx平台很有帮助。
(2)通过适当的模压使刚性材料薄膜具有柔韧性的一般原理。这种兼容模式可以作为柔性电子产品的通用平台。例如，通过在这样一个平台上制造整个电路，所得到的设备可以在保持电气功能的同时承受大的循环变形。相关出版物包括这而且这．
罗杰斯在伊利诺伊大学香槟分校的团队一直在与年轻的黄的集团可拉伸硅和其他半导体。在预拉伸的弹性体衬底上制备薄半导体薄膜。一旦释放预拉伸，刚性薄膜就会扣紧。在拉力作用下，这种弯曲的薄膜会变平以适应伸长，因此在薄膜中产生的应变主要是由于弯曲造成的，因此很小。相关出版物可供查阅在这里而且在这里．
希望这对你有帮助。
腾
金属膜与高分子基材的粘结规律
腾,
在您发表的论文中，金属膜与高分子基板之间的结合规律是什么
李涛，黄志智，奚志昌，拉库尔SP，瓦格纳S，索泽(2005)聚合物衬底上金属薄膜的离域应变，机械学报。脱线。37:261-273。
谢谢,
亨利
附着力对聚合物上金属薄膜延展性的影响
亨利,
在动力机械。板牙纸时，假设金属膜与聚合物基板完美结合。重点研究了衬底对金属薄膜应变局部化的约束。在模拟模型中预先引入了界面处的脱粘，不考虑进一步的脱粘传播。
在实际结构中，薄膜/衬底界面永远不会完美。在适度的拉伸应变下，随着应变局部化(例如，颈缩)在薄膜中发生，脱粘可能开始并传播。薄膜的脱胶部分变得独立，因而容易破裂。因此，聚合物基材上金属薄膜的变形性对其与基材的粘附性也很敏感。这已经在最近的一个实验．为了进一步量化界面黏附的影响，我们进一步模拟了界面脱粘和薄膜缩颈的共同演化。结果表明，薄膜缩颈主要由界面滑移引起，而非界面打开。因此，高界面剪切强度对于在聚合物衬底上获得更好的金属薄膜延展性至关重要。在这个模拟中，界面是由内聚区域元素建模的。采用简单的三角形内聚规律。其他内聚定律(即Xu-Needleman模型)也得到了相似的结果。本研究已在以下论文中报道:
界面黏附调节聚合物基材上金属薄膜的延展性，李腾，索卓，固体与结构学报，44,1696-1705(2007)。
腾
Nanshu等人对可拉伸电子器件的研究
腾,
你好像没提过>陆她是索教授小组的博士生。
她正在研究可拉伸电子器件中刚性岛的尺寸效应(http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/149#comment-1737)．有什么新的进展吗?未来有什么计划吗?
他们最近的一篇论文很有趣，第一作者是Juil Yoon博士。
涂层对增加柔韧基板上岛屿临界尺寸的影响。http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/1040
可拉伸衬底上的硬岛的分层
Nanshu最近在可拉伸衬底上的刚性岛屿分层方面的工作可在另一篇文章中获得在这里．有趣的是在她的帖子之后的有益讨论。
聚合物基材的粘度
腾,
在建模时没有考虑聚合物基质的粘度。
如果考虑到这一点，您希望看到什么样的差异?
亨利
粘弹性变形导致的约束损失
亲爱的亨利:
与黄睿和其他几位同事合作，我们研究了聚合物基材的粘弹性对脆性薄膜开裂的影响。
其主要作用是基片内随时间变化的变形逐渐减小了基片对薄膜中裂纹张开的约束。以下是其中一篇论文，其中包含了我们早期论文的回顾:
索志忠，梁健，Prévost，含有机整体结构中裂纹萌生和扩展的动力学,。固体力学与物理杂志，51， 2169-2190(2003)。
粘弹性很可能会对金属膜的缩颈产生类似的影响，但我还没有看到对这种影响的分析。
速度的影响
比如，如果我慢慢地关闭一个柔性显示器，拉伸性可能会增加;如果过快，拉伸性可能会降低。
柔性显示器的长期可变形性
亨利:
让我进一步阐述一下志刚的观点。猜想是，随着时间的推移，衬底对薄膜颈缩的约束由于衬底的蠕变松弛而减小。当这种约束太弱时，变形局部化(如颈缩)更有可能发生在薄膜中。因此，在粘弹性衬底上的金属薄膜的变形能力可能随着时间的推移而降低。当然，变形性衰减的时间尺度与基材的粘度有关。
上面说，可能发生的事情可能是另一种方式，而不是你所说的。但很可能变形能力衰减的时间尺度太长了，以至于当你缓慢或快速地关闭柔性显示器时，你不会体验到明显的变化。
腾
底物约束的影响
如上所述，聚合物衬底的顺应性和粘弹性导致了一些有趣的薄膜力学，对柔性电子产品的设计和可靠性有影响。我最近参与并了解了这方面的一些研究，并敢在此简要总结如下。
(1)在张力作用下，粘结在聚合物基材上的弹塑性延展性薄膜(如金属)的缩颈受到约束。约束的水平取决于衬底的弹性柔度和界面粘附性，这一点已由李腾、索志刚及其合作者研究过。如上志刚所述，基材粘弹性对金属薄膜缩颈和破裂的影响还没有分析过，至少在我所知的情况下。
(2)同样在张力作用下，弹性脆性薄膜(如Si或SiN)也可能通过形成沟道裂缝(平行或随机泥裂缝，取决于应力状态)而断裂。衬底约束对通道开裂的影响已被广泛研究，包括弹性衬底、弹塑性衬底和粘性/粘弹性衬底。界面黏附对通道开裂的影响目前正在研究中，并将很快报告。
(3)在压缩作用下，观察到了薄膜(包括金属、聚合物、SiGe、DLC等)的屈曲。在硬/硬基板上，会出现扣层分层的水泡。在柔软的基板上，会发生起皱。研究了衬底柔顺性对压扣分层和起皱的影响。最近的一项研究并统一了两种屈曲现象，为屈曲模态的选择提供了依据。还分析了粘性/粘弹性衬底对起皱的影响。我不知道有任何关于粘性或粘弹性衬底的屈曲分层的研究。
(4)在循环加载(如疲劳试验、热循环)下，在弹塑性衬底下，棘轮在拉伸下引起开裂，在压缩下引起起皱。针对棘轮诱导的稳定裂纹(RISC)和棘轮诱导的起皱(RIW)，提出了一些简单的模型。
如果有兴趣，我可以在另一篇文章中提供上述研究的参考文献。
RH
谢谢你的总结
你好瑞。
谢谢你的总结。
现在我对聚合物的粘弹性很感兴趣。你能给我上面提到的那些参考资料吗?
谢谢你！
Juil
粘弹性效应的参考文献
谢谢你的兴趣。这是我的清单。
拉伸脆性断裂:
对于压缩下的起皱:
RH
小黄的可拉伸电子设备小组
Young Huang于2004年开始与Rogers的团队合作，研究光刻技术的力学问题，一直持续到今天。它们主要在以下两个方面相互作用:
(1）与光刻有关的力学问题，包括软光刻中的邮票塌陷，在有图案的软材料上转移印刷。他们发现，在许多微/纳米制造应用中，如由软材料制成的微流体通道中，有一种缩放定律可以控制不需要的邮票坍塌。转移打印技术为制备微结构杂化材料系统和器件阵列提供了强大的能力，在光电子学、光子学、非平面制造和生物技术等领域有着广泛的应用。他们的出版物有:
一)黄YGY，周文祥，夏建杰，等，软光刻中印版塌陷， Langmuir 21 (17): 8058-8068 aug 16 2005;
b)夏朝KJ,黄Y， Menard E，等。软光刻时，由于界面粘连而导致印版塌陷，应用物理通讯86(15):艺术。2005年4月11日第154106号;
c)周女士,黄Y， Menard E，等。软光刻中印版坍塌的机理，应用物理快报87(25):艺术。第251925号2005年12月19日;
d)马梅特，朱志涛，库马尔，等，通过动态控制黏附在弹性印花上的转移印刷，自然材料5 (1):33-38 jan 2006．
薛峰博士和周伟星先生参与其中。
（2）可拉伸电子元件的力学分析。他们从2005年夏天开始这个项目。正如Teng介绍的那样，实现Si和GaAs等脆性材料可拉伸性的基本思想是通过放松柔韧衬底(通常是PDMS)的预拉伸来弯曲脆性薄膜，从而导致薄膜的周期性波状结构。通过改变波长和振幅，波浪形薄膜可以承受较大的拉伸和压缩应变，从而避免了薄膜断裂，实现了薄膜的拉伸性。最近介绍了一种新型的PDMS衬底，用于产生可控的薄膜屈曲。这种可控屈曲可以极大地提高拉伸性能，对于断裂应变仅为1%的GaAs，拉伸性能可提高70%。这里的主要力学问题是如何将应变(预应变和施加应变)与屈曲剖面(波长和振幅)联系起来，以及如何优化图样PDMS的形状以提高拉伸性能。这些出版物已经被邓丽君指出。这个项目一开始我就参与了。我离开UIUC加入ASU后，现在可能有另外两个同学在做这个项目。
谢谢你的总结
Hanqing,
感谢您对黄杨在这一领域的研究做了很好的总结。
腾
汉青，链接你
Hanqing:
您提供的链接只能从亚利桑那州立大学访问。
还要扩展斯通尼公式
1月，我在清华参加了黄老师的讲座。他总结了自己在推广斯托尼公式方面的工作。有趣的是，斯通尼公式也适用于非均匀薄膜。
1）具有任意薄膜厚度和应变不匹配分布的薄膜/衬底系统。第一部分:从非局部曲率信息获取薄膜应力的分析国际固体与结构杂志，44卷，第6期，2007年3月15日，1745 - 1754页
2）具有任意薄膜厚度和应变不匹配分布的薄膜/衬底系统。第二部分:非局部应力/曲率关系的实验验证国际固体与结构杂志，44卷，第6期，2007年3月15日，1755 - 1767页
军事反恐应用?
柔性电子产品在反恐方面有什么应用吗?
来吧，给点提示。
柔性电子的更多可能应用
一种可能的应用是大面积可折叠天线，可用于战场上的士兵。另一个被越来越广泛使用的应用是灵活的射频识别(rfid)。rfid可用于多种用途，如产品跟踪、患者识别、电子护照等。在2006年世界杯上，所有370万张门票都贴上了rfid标签．
腾
毛细力
毛细管力如何控制金属薄膜与聚合物基板之间的粘附?
亨利，不太确定是什么
亨利,
不太清楚你在问什么。你说的是固体薄膜和粘性基底界面处的毛细管力吗?对于塑料衬底上的金属膜，这种毛细管力对附着力的影响可以忽略不计。
腾
灵活的电子产品
在我看来，考虑到石墨烯的合规性，我们应该把它作为柔性电子产品的合理候选材料。
把它扔到桌子上。
将碳纳米管用于柔性电子产品
亲爱的杆,
谢谢你提出这个问题。实际上，已经有人在努力使用碳纳米管垫导电透明涂料，透明薄膜晶体管等。我不知道有任何工作使用石墨烯作为柔性电子产品的候选材料，如果有人能指出一些，我会很高兴。
腾
石墨烯柔性电子器件
你好，李医生，
这是完全正确的，石墨烯可以制成透明/柔性导电涂层和TFTs。很快就会有一篇论文报道在PET衬底上制作的单层石墨烯器件。当参考资料准备好时，我会更新它。
石墨烯电极的问题是它有一个特殊的非金属状态密度，石墨烯晶体管的问题是它不能完全关闭。人们已经通过基本的带隙工程解决了后面的问题(见陈志宏)et al。，http://lanl.arxiv.org/abs/cond-mat/0701599和韩先生et al。，http://lanl.arxiv.org/abs/cond-mat/0702511)，可能很快就会有其他解决方案问世。
对于碳纳米管垫透明电极，我所知道的最好结果是透明度为87%，160欧姆/平方，张大华et al。，Nano。莱特6号，1880年(2006)，与ITO比较(10欧姆。Sq与>80%透明度或>100欧姆/ Sq与90%透明度)．它越来越近了。
剑
石墨烯膜?
石墨烯薄片稳定，高度灵活，强度强，导电性能优异(http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/998)．
也许它是替代聚合物基材上金属膜的较好选择。
柔性电子产品中的一种密封涂层
腾:
谢谢你的总结。
如你所知，薄膜有机/无机复合阻挡层已报道达到一定的水汽渗透率。
我们最近的论文计算了由有机层和无机层组成的涂层中各种构型沟道裂纹的临界应变。结果表明，当有机层厚度为中等厚度时，涂层能承受最大的应变。
滕，关于柔性电子产品的渗透问题，你还有什么其他的想法吗?
先谢谢你。
康奈尔大学的柔性电子学课程
MSE 542柔性电子@康奈尔
完整的课堂讲稿和讲义都有在这里．
力学在哪里?
好笔记。但我没有看到任何关于机制问题的报道。当你谈论任何“灵活性”却不提及机制时，这似乎很奇怪。
RH
力学是开发新技术的奢侈品
工程师不懂力学也能开发新技术。力学是开发新技术的奢侈品。
力学与新技术
热力学从蒸汽机得到的好处比蒸汽机从热力学得到的好处多。
我很久以前看到过这样的说法，但想不起来是谁说的了。我想科学和技术会一直保持这种不安的关系。
虽然蒸汽机的早期发展确实在创造热力学方面发挥了重要作用，但我们仍然为热力学的创造感到高兴，并发现它的应用与蒸汽机相去甚远。
另一种描述方式。假设蒸汽机没有导致热力学，很难想象在开发蒸汽机的过程中所获得的经验教训将如何阐明DNA的波动。蒸汽机将只是另一项发明，功能性和重要性，但到现在已经相当乏味了。
柔性电子学确实带来了尚未被很好理解的力学问题。虽然很少有一项技术能带来像热力学这样深刻而有趣的学科，但我们也可以享受做我们擅长的事情，并努力寻求有助于推动技术发展的洞察力。我们甚至可能希望我们所学到的东西能够超越直接的应用。不试一试就永远不会知道。
多晶硅薄膜疲劳失效机理研究
虽然大块硅对疲劳失效免疫，但微米级的硅薄膜似乎很容易受到影响。Ritchie等人表明，这种硅薄膜的疲劳是由于薄膜上氧化层内的亚临界开裂。高应力诱导释放后氧化物在应力集中(如缺口)处增厚，随后经历水分辅助开裂。有关刊物可供查阅在这里．
这些多晶硅薄膜是独立的，在10^6+循环后失效。伊藤的电影凯恩斯和克劳福德纸与聚合物基材结合，在<10^5循环内失效。所提出的硅薄膜的疲劳机理可能与聚合物上的ITO薄膜没有对应关系，但这里包含了参考和任何可能的讨论。
替代制造技术
我想指出另一种制造柔顺电极的方法，如下文所述:
R. Delille, M. Urdaneta, K. Hsieh和E. Smela，“聚氨酯基质中基于铂盐还原的兼容电极，”智能材料与结构， vol. 16, pp. 272- 279,2007。
连接:http://www.iop.org/EJ/abstract/0964-1726/16/2/S11/
作者演示了通过将铂盐混合到紫外线固化聚合物中制备柔顺电极。聚合物/盐混合物可以被光刻，因为盐是透明的，而金属不是。最后，通过将结构浸入硼氢化钠中进行化学还原。结果，在聚合物基板的表面形成导电铂膜。复合材料结构的杨氏模量为10 MPa，电导率最大值接近1 S/cm。据报道，菌株高达30%。
这种制造方法还没有接近成熟，当然还需要大量额外的工作才能达到可用于柔性宏电子学的阶段。然而，电引线可以进行光模压的事实被证明是有益的，因为它绕过了传统的沉积和模压方式，并且可以在不使用昂贵的洁净室设施的情况下进行。
弹性拉伸电子学
我想分享一下我刚刚读到的关于在电计量基片上制造集成电路的论文。这种回路会可逆地拉伸和放松，类似于人类的皮肤。
本文介绍了非晶硅薄膜晶体管弹性可拉伸有源矩阵背板所需的所有元件。还表明，在弹性衬底上制造的离散晶体管可以通过弹性可拉伸金属化相互连接集成到电路中。
Stéphanie P. Lacour和Sigurd Wagner，“集成到弹性衬底上的弹性可拉伸电子器件的薄膜晶体管电路”，http://ieeexplore.ieee.org/iel5/10701/33791/01609278.pdf
柔性衬底上的薄膜电子学
我偶然看到一篇文章，“imechanica”社区可能会感兴趣。万博manbetx平台本文总结了目前柔性衬底上薄膜电子力学的知识。
本文主要研究了非晶硅薄膜晶体管和太阳能电池在外加拉伸应变作用下的力学响应。在压缩应变下，它们的响应没有明显的差异。a- si:H TFT在承受2%的压缩应变时不会发生机械失效，但在拉伸应变为0.3%时开始形成裂纹。在0.3% ~ 0.5%的拉伸应变范围内，TFT失效，但当应变消除时，TFT的电功能恢复。超过0.5%拉伸应变，裂纹变为永久裂纹，发生力学破坏。对于非晶硅锗太阳能电池，在拉伸应变高达0.7%和压缩应变高达1.7%的情况下，电学性能没有变化。当拉伸应变大于0.7%时，电学性能下降。令人惊讶的是，即使在2%的拉伸应变下，太阳能电池的效率仍然保持在原始值的50%。
作者还指出，在整个制造过程中，应尽量减少因器件结构应变失配而引起的柔性器件曲率半径的变化。失配应变是由于金属薄膜与衬底之间的热失配应变以及金属薄膜的内置应变引起的。减少不需要的弯曲的可能解决方案是:(i)通过内置应变补偿CTE失配，(ii)通过在制造期间将柔性衬底附着在刚性载体上，以及(iii)通过将连续层排列成岛状以减轻全局失配应变。
索志刚，郑宜春，“柔性衬底上的薄膜晶体管和太阳能电池的力学特性”，太阳能学报，vol 80, pp. 687-693, 2006。
连接:http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0038092X05003683
评价透明薄膜的性能
一种评价薄板力学性能的方法索尼娅·格雷戈，杰伊·刘易斯，埃里克·维克，多洛塔·坦普尔，薄固体薄膜，第515卷，第11期，2007年4月9日，第4745-4752页
关于讨论主题一，我想指出这篇论文。它可能对那些对柔性衬底上的有机发光二极管技术感兴趣的人有用。oled的操作条件非常严格，对水分渗透特别敏感。因此，必须开发有效的透明屏障层来保护oled免受外界水分和污染物的影响。然而，这些屏障层可能会破裂，并允许水分渗透到设备，从而使其无用。本文的作者提出了一种快速光学评估这些屏障层的性能的技术，使用传统的干蚀刻工艺作为突出裂纹的基础。该技术在单层阻挡层和多层有机/无机结构中都得到了证明。
薄膜力学
我非常同意力学对于我们理解新技术是非常强大和必要的。但是我们必须承认，我们不能简单地用现有的力学知识来解决新技术中的新问题。换句话说，新的研究领域的新挑战可以帮助我们从另一个角度/方法更好地理解力学。
我想指出一篇关于薄膜力学的论文:
Chasiotis,我。薄膜和微器件的力学《器件与材料可靠性》，《电子工程学报》，第(s)页:176- 188，卷:4，第2期，2004年6月
在Chasiotis的论文中，他介绍了一种集成的AFM/DIC(原子力显微镜/数字图像相关)技术，可以直接和全方位地测量微米级样品的杨氏模量、泊松比和断裂韧性。通过这种技术，他指出薄膜的机械可靠性由制造参数(沉积、DRIE、牺牲蚀刻)和器件几何形状(尺寸、应力集中、表面条件)决定。
我认为这篇论文有助于学生对薄膜力学有一个大致的认识。
AFM/DIC的局限性和一种新技术
谢谢雷磊指出这一点。在柔性电子中，测量新材料或新结构的力学性能是一个非常热门的话题。这些信息可用于指导设计和材料选择。数字图像相关性是一个强大的工具来做这项工作。而传统的DIC是利用高信噪比的光学数码相机设计的，能够在数字图像中提供几乎无噪声和稳定的背景强度。当DIC以AFM作为成像系统扩展到微米级或更大尺度的测量时，它遇到了一些新的挑战。在成像过程中，AFM尖端距离样品表面仅约10 Å，因此可以发生尖端与表面之间的接触。这在加载前后的图像中产生随机噪声;同时也会在薄膜表面产生力，导致薄膜力学性能测量不准确。与AFM中使用的压电材料相关的漂移也会导致随机噪声的产生和图像失真，这在测量中是不可接受的。 To cope with this problem, a hybrid method is proposed to achieve the goal. The method uses regularly oriented nano-scale structures that are fabricated on the surface of the specimen. After obtaining the SEM pictures of patterns on the region of interest before and after loading (deformation), the conventional low-pass filter combined with a de-blur filter (Wiener Filter) are applied to eliminate the noise during SEM imaging effectively. The fundamental concepts of pattern recognition and correlation are subsequently employed to determine the deformation field that will eventually convert to the mechanical properties measurement. A这里有关于N-PRCT的链接描述了这种技术的基本思想。
在聚合物基材上的金属薄膜的扭曲图案
在课程中，教授了聚合物基板上金属薄膜的本征表面屈曲模式。在论文中，“在结构化聚合物衬底上的金属薄膜的扭曲”，研究了退火过程中薄膜的扭转规律。作者考虑了波纹结构扭曲波与本征屈曲波的相互作用，给出了波纹几何形状、退火温度、材料性能对扭曲波形的影响。研究结果对多层薄膜加工过程中表面起皱的控制具有重要意义。
由于建模是用预先给定的聚合物基板模量来计算图案的，并且图案被发现与该参数密切相关，因此在计算中使用什么模量值并不十分清楚，因为聚合物模量高度依赖于温度，特别是在退火过程中会发生的高温下。在高温条件下，模量随时间变化较大，模态也随时间变化而变化。为了改进，需要采用更严格的建模方法来代替纯弹性建模方法。