综述-透明瞬态柔性电子：从纳米材料设计到可持续智能系统的跨界突破

研究成果

近年来，透明电子学因其在显示器、挡风玻璃和可穿戴设备等需要透视功能的应用中日益增长的需求而备受关注。这些应用要求大面积柔性形态的透明电子设备，其性能需与传统电子设备相当。此外，为减少电子设备生命周期结束时的处理难题，电子设备的可控瞬态性和可降解性也成为重要需求。然而，实现这些特性颇具挑战性，因为材料的固有属性往往难以同时满足要求，而且在柔性基板的应用中还存在热预算等技术限制。因此，包括一维纳米线、二维纳米片、金属氧化物和聚合物等在内的多种材料和结构被广泛探索。本综述全面讨论了透明电子学的这些发展，以及大面积柔性和瞬态透明电子学发展所面临的挑战。文中还介绍了克服这些挑战的潜在解决方案和各种资源高效的沉积与印刷技术，并列举了已报道的透明电路、传感器、执行器和能量设备等实例。最后，讨论了柔性瞬态透明电子学的潜在未来发展方向，因其不断增长的需求可能推动新材料、制造技术和应用的出现。相关报道以“Transparent and Transient Flexible Electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。

引言

人眼不可见的透明设备在智能窗户、汽车挡风玻璃、可穿戴设备、 使用光保真（Li-Fi）的光通信等新兴透视应用中引起了广泛兴趣。它们能让用户同时看到显示器上投射的信息和背景中的真实世界。通过融入透明触控面板，还能制造交互式显示器。事实上，这种方法已在触控交互式触觉显示器、具备触控感应能力的能量生成与存储以及机器人的自供电电子皮肤等领域得到探索。此类透明电子系统在增强现实、汽车平视显示器、广告牌以及用于医疗、军事和教育目的的全息信息显示等方面具有巨大潜力。同样，透明太阳能电池可将任何窗玻璃转化为无形的能量来源，并通过透明超级电容器或其他存储单元在本地存储能量。透明电子学在医疗可穿戴设备中也有很高的应用潜力，例如透明智能创可贴，可在不损伤组织的情况下监测伤口愈合情况。 

用于透明电子学的各种材料的光学透明度在实现所需性能和确保实际应用方面起着关键作用。设备必须具备所有光学透明层，包括基板、有源层、触点和电介质。同时，透明设备应具备优异的电学性能。例如，透明天线除了需要光学透明度外，还需要高导电性贴片和具有最佳介电常数及低损耗角正切的基板，以高效地将电流转换为电磁辐射，反之亦然。在允许可见光透过而不被吸收的同时，为金属和半导体层实现良好的电荷载流子密度是一项极具挑战性的任务，因为更多的电荷载流子有利于更高的光吸收。许多新兴应用还需要机械柔性设备，这些设备需要在大面积上制造并提供均匀的性能。此外，由于电子废物管理等生命周期结束问题的迅速增长，对可降解设备的需求也在不断增加。

在各种电子材料中实现光学透明度有多种方法。金属氧化物（如氧化铟锡（ITO））因其宽带隙而本质上是透明的，并且通过简并掺杂来改善其电学性能。然而，作为陶瓷材料，它们具有高脆性，因此不太适合柔性电子学应用。另一方面，聚合物（如PEDOT:PSS）和二维材料（如石墨烯）具有良好的柔韧性，并且在低厚度下表现出低光学吸收。它们可以沉积为连续均匀的薄膜，以实现透明电子学。然而，它们的电学性能需要提升，尤其是在高性能电子设备中。具有高光学吸收的材料（如Ag、Cu和Si）也可以被构造为网格、超表面和纳米结构，以获得具有与真空沉积金属氧化物相当的光电子性能的光学透明薄膜。基板和钝化层的光学透明度也很重要，因为它们会影响整体设备的透明度和光电子设备的性能。 

除了优异的光电子性能外，考虑用于获得透明材料和设备的制造工艺的生态足迹以及由它们开发的电子设备的生命周期结束管理也至关重要。一些对透明电子学至关重要的材料是稀缺的。传统的制造方法（如光刻和蚀刻）资源密集且本质上浪费严重，会产生大量材料浪费并将有害化学物质释放到废水和环境中。例如，ITO中的关键成分铟是一种稀土元素，光电子应用中对铟基薄膜需求的增加已推高了ITO的成本（超过90%的成本用于铟）。这种情况凸显了开发产生最少材料浪费的制造工艺的紧迫性。此外，ITO的当前图案化技术通常需要使用危险的湿法和化学蚀刻剂，这带来了重大的环境问题。为应对这些挑战，资源高效且生态友好的制造技术（如印刷电子学）正在被探索，用于大面积电子学的薄膜沉积和图案化。这些创新方法以及室温处理和易用材料的使用对于最小化透明电子学的生态足迹至关重要。瞬态电子学的出现（设计为降解为有用的副产物）也可能为透明电子学提供一个有前途的方向，使其在使用寿命结束后几乎产生零电子废物（e-waste）。

本文全面综述了上述透明柔性大面积电子学的进展和未来前景。图1总结了主要方向，如常用材料、新兴资源高效制造技术以及透明柔性电子学的潜在应用。其中一些方向，如透明材料、传统制造技术和应用，过去已被单独综述过。然而，本综述文章因几个新的和新兴的方面而与众不同，如资源高效制造技术以及与柔性和透明电子学相关的瞬态研究。考虑到对半导体制造的重新关注以及电子废物管理等新挑战的出现，这些主题的涵盖是及时的。事实上，正如上述，电子废物管理等迅速增长的问题正在推动瞬态（可控降解）透明电子学等进展。本文中介绍的几个瞬态透明电子学实例清楚地表明了这些发展。事实上，这些新主题使本综述文章成为之前报道的透明电子学综述的补充。本文中报道的柔性透明电子学的多样化且往往相互矛盾的要求表明探索这一主题是多么具有挑战性。同时，透明电子学的广泛应用也使这一领域令人兴奋。希望这些新主题将使学术界和工业界对透明电子学领域感兴趣的研究人员和从业者受益。本综述首先讨论了透明电子学应用中流行的各种材料，如传统金属氧化物、聚合物、最近流行的碳基和金属纳米结构基材料及其混合物。然后介绍了用于大面积制造的透明柔性材料的图案化和沉积的先进制造和印刷技术，以及它们的优缺点。在此之后，讨论了设备和电路、传感器、执行器、能量等领域的一些新兴应用。最后，讨论了该领域的各种挑战和未来方向。

Figure 1. Overview of the materials, engineered structures, manufacturing technologies, and device-level applications relevant to large-area, flexible, and transient transparent electronics. 

Figure 2. Market and Research trends.

综述要点  

1. 透明与瞬态材料体系  

金属氧化物：

ITO、FTO等因宽带隙实现透明导电，但脆性限制柔性；AZO等掺杂氧化物通过优化厚度平衡透光率（80%~90%）与电导率（10? S/cm级）。

Figure 3. Transparent Polymers.

聚合物与二维材料：

PEDOT:PSS通过掺杂（如DMSO）提升电导率至103 S/cm级，但长期稳定性不足；石墨烯单层透光率>90%，薄层电阻可低至350 Ω/sq，需解决大面积转移难题。  

Figure 4. 2D Materials. 

瞬态与生物降解材料：

聚乳酸（PLCL）、纳米纤维素等生物基基板透光率>90%，可降解为无害产物；Ag NWs与可溶胀凝胶结合，实现器件功能期后自然分解。  

Figure 5. Emerging Transparent Materials. 

Figure 6. Engineered structures for transparent electronics.

2. 先进制造技术  

印刷电子学： 

喷墨印刷：Ag NWs网格实现91%透光率与49.6 Ω/sq电阻，兼容柔性PET基板。

转移印刷：通过PDMS印章将Si纳米带转移至柔性基板，产率达95%，适用于高频电路。 

纳米结构工程：介电泳（DEP）对齐NWs、朗缪尔-布洛杰特（LB）组装技术实现高密度有序网络，提升导电性与透光率匹配度。  

3. 前沿应用场景  

透明电路与传感器：

柔性OLED：Ag网格/ITO复合电极实现72.4%外量子效率，双面发光。  

自供电触觉传感器：基于PVDF压电材料，透光率89%，可集成于电子皮肤监测压力与应变。

能量设备：透明太阳能电池（Si微线/PDMS复合结构，光电转换效率8.07%）与超级电容器（Ni@MnO?电极，透光率77%，循环寿命10000次）。

瞬态电子：琼脂糖凝胶基板上的Ag NW应变传感器，使用后可在生理溶液中降解，适用于可植入医疗设备。  

总结与展望  

1. 构建了“材料设计-制造工艺-应用场景”的完整技术链条，突破了透明性、柔性与瞬态性的协同调控难题。  

2. 证明资源高效制造（如R2R印刷、DEP组装）是降低成本、实现大面积应用的关键。  

现存挑战  

1. 透明半导体（如IGZO）迁移率（9 cm2/V·s）仍低于传统Si（>1000 cm2/V·s），限制高频电路应用。  

2. 生物降解材料的电学性能（如纳米纤维素基板上电极电阻>100 Ω/sq）需进一步优化。  

3. 多功能器件（如透明-瞬态-自供电系统）的多层结构设计与界面兼容性待突破。  

未来方向  

1. 探索二维半导体（如MoS?）与生物可降解导电聚合物的复合体系。  

2. 推广水基油墨印刷、无蚀刻图案化技术，降低能耗与污染。  

3. 聚焦医疗植入（如可降解脑机接口）、环境监测（自供电透明酸雨传感器）等场景，推动“隐形电子”与生态可持续性的深度融合。