106现代制造技术与装备2019第4期 总第269期碳纳米管在柔性电子器件中的应用研究李晓丽（无锡南洋职业技术学院 智能装备与信息工程学院，无锡 214081）摘 要：碳纳米管由于其独特的电学特性，近些年得到了广泛研究与应用。采用碳纳米管制作而成的电子设备，比碳芯片设备体积更小，速度更快，并且还具备很好的节能有点。随着电子学发展，柔性电子应运而生，在碳纳米管电子特性基础上，详细探讨了碳纳米管在柔性应变器、柔性导线以及超级电容器等电子器件中应用进展，最后指出了碳纳米管在柔性电子器件领域中的应用前景和趋势。关键词：碳纳米管 柔性电子 器件1 碳纳米管基本概述路处于阻态。利用这一特性可以制作半导体器件和开关器碳纳米管（Carbon Nanotubes）又名巴基管，是石墨六件。科学家已经制成了碳纳米管晶体管，体积是普通晶体方结构绕同轴缠绕而成的空心管子，两端为“帽状”结构，管的十分之一，从而可以将集成电路尺寸降低两个数量级。是一端封闭或两端封闭的简结构。1991年，日本电气公司1.5 量子限域效应（NEC）基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛钝雄在高电子在碳纳米管中进行径向运动时，轴向运动不受，分辨透射电子显微镜下，通过检验石墨电弧设备中产生的碳纳米管可认为是一维量子导线，导电性能仅次于超导体。球状碳分子发现了碳纳米管，从此开启了人们对碳纳米管2 碳纳米管在柔性电子中的应用在各种领域的应用研究。晶体碳有金刚石、石墨以及富勒电子学的发展经历了硅半导体技术，逐渐发展为小型、碳三类，碳纳米管是富勒碳系中的两个重要的类别，是晶高速以及高集成的电子器件。随着电子学发展，人们克服形碳的另一种同素异形体，碳纳米管基本机构如图1所示。了电子器件刚性强、脆性高以及易碎等难题，柔性电子应运而生。碳纳米管基本组成单元为六元环，而且碳纳米管可因其取向、直径和外加电压不同而表现出金属或半导体特性，可以通过引入五元环和七元环等拓扑缺陷来实现“全碳纳米管”器件；用金属型碳纳米管作引线，而用半导体型碳纳米管作开关器件。同时碳纳米管可以制作柔性电路，由无数碳纳米管随机重叠在一张渔网状结构上形成电路，切图1 碳纳米管基本结构成一定的条状，可以作为微型电子线路，制成柔软电路或1.1 导电性质透明显示屏。受电子效应影响，随螺旋旋角及直径变化，单壁碳纳2.1 柔性应变传感器米管的导电性可呈金属、半金属或半导体性三种情况。当碳纳米管具有良好的柔性和可拉伸性，根据应变引起螺旋矢量中n=m时，碳纳米管电导率可达铜的1万倍。同电容变化的机理实现电容式应变传感器。这种应变传感器一根碳纳米管上的不同部位，由于结构变化，也可呈现出可探测高达300%的应变，能够承受长时间的反复拉伸操作。不同的导电性。两个单层碳纳米管同轴套构所形成的双层这种电容型应变传感器可以满足各种特殊场合要求，对生碳纳米管仍然保持其导电特性。物机体活动进行检测，具有稳定可靠的探测能力。基于碳1.2 场发射特性纳米管形成的传感器，在人体健康监测电子产品等领域中碳纳米管顶端可以做得极为尖锐，具有优异的场发射存在巨大的应用潜力。性能，具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高2.2 柔性导线和电极以及无需加热和无需高真空等优点，被广泛应用于显像管、碳纳米管具有很好的长径比、优良的机械强度以及良扫描电子显微镜、高能电子武器、灵敏开关、超高频振荡好的导电导热性能，是理想的柔性导线及电极材料。水平取器以及发射平板显示器设计制造中。向的碳纳米管阵列在柔性基底上，可实现逻辑电路全碳基合1.3 弹道运输特性成，具有良好的机械柔性和电路性能；垂直阵列碳纳米管具导电材料受晶格振动和杂质散射会对传导电子产生一定有高度取向性，优异导电性能提供更加密集的电流通道，从电阻影响。碳纳米管网格长度比其他原子要短，杂质难以将而降低电阻。碳纳米薄膜可用于制备柔性半导体，将薄膜转其置换，不易产生散射。室温下，传导电子能类似于光子在移至柔性基底表面是柔性触摸显示设备的理想材料。碳纳米光纤中进行量损失飞行，这一特性称为弹道输运。管纤维具有良好的导电性，可弯曲、打结与拉伸，并可通过1.4 库仑阻塞效应改变碳纳米管纤维数量调节柔性导体电阻值和整体性能。碳纳米管可看作是一个微小的电容器。如果电容足够2.3 柔性超级电容器小，只要注入一个电子就会产生足够高的反向电压，使电随着社会发展，能源环境问题日益突出，（下转第114页） 114现代制造技术与装备2019第4期 总第269期The Design of Automatic Packaging Device for Towel Packagingdesigned. The device is mainly composed of a conveying device, a sticking device and a detaching device, and includes four steps 2XuezhengQU Wentao14, HU Ye1, ZHU Yingbo, GENG Wenjie3, XU of towel feeding, towel sticking, towel state detection and towel detachment. In the actual application process, the three sets of Jilin University, Changchun 130022;2.Chang Guang Satellite (1.School of Mechanical and Aerospace Engineering, devices cooperate with each other to realize the automation of towel packaging feeding under the premise of ensuring certain Technology Co., Ltd., Changchun 130000;3.Machinery Industry precision, and it is clean and environmentally Ninth Design Institute Co., Ltd., Changchun 130011;4.Research runs smoothly, which reduces the labor intensity of workers and friendly, and and Equipment & Technologies Co., Ltd., Changchun 2680)Development Department of Yantai Jereh Petroleum improves production efficiency. The device can also be applied to the automatic feeding operation of paper and silk and other soft Abstract: Aiming at the problems of low efficiency objects, and it is worthy of promotion.and poor precision of towel packaging machine, a new type of Key words: feeding device, towel wrap, automation, towel packaging automatic feeding device was designed and ultrasonic ranging（上接第106页）在遵循可持续发展原则下，电池和电容器中的应用研究进展[J].物理化学学报，2016，（10）：2427-作为清洁可再生储能器满足了人们对新型能源的需求。相2446.较于传统电池，超级电容器充电时间更短，使用寿命更长，[2]蔡乐，周维亚，解思深，等.碳纳米管柔性应变传感器的研究[J].温度特性更好，还具有绿色环保的特点。碳纳米管材料具现代物理知识，2014，（2）：24-28.有良好的导电性能和力子强度，同时具有较大的比表面积，[3]黄振龙.碳纳米管柔性传感器与多层可延展柔性电路[D].成都：被广泛地应用于柔性超级电容器构建当中。电子科技大学，2017.3 结语随着半导体技术快速发展，近些年来已呈现出比较明Application of Carbon Nanotubes in Flexible 显的量子效应瓶颈。纳米技术是未来推动信息技术、自动Electronic Devices化技术以及能源科学技术快速发展的重要动力。碳纳米管独特特性引起了研究者的广泛关注和行业的高度重视。利LI Xiaoli用碳纳米管制造具有良好晶界的异质结构，对电子器件发展来说是非常重要。目前科学家已利用单壁碳纳米管或多Engineering, Nanyang Vocational and Technical College, Wuxi (School of Intelligent Equipment and Information 壁碳纳米管制造出了场效应晶体管，未来可作为集成电路214081)Abstract:的基本元件。将电子器件制作在柔性基板上成为了一种新兴电子技applied in recent years due to their unique electrical properties. Carbon nanotubes have been widely studied and 术，其具有可靠延展性，在信息、能源以及医疗等领域具Electronic devices made from carbon nanotubes are smaller, 有广泛的应用前景。基于碳纳米管的柔性电子技术将是一faster, and more energy efficient than carbon chip devices. With 场全新的电子技术，有效弥补了传统硬式基材的缺陷。the development of electronics, flexible electrons emerged. Based 值得我们注意的是，碳纳米管有效制备都是未来发展的关on the electronic properties of carbon nanotubes, the application 键点，需要研究者对此展开大量研究和谈论。progress of carbon nanotubes in electronic devices such as flexible strain gauges, flexible wires and supercapacitors was discussed in 参考文献detail. Finally, carbon nanotubes were pointed out. Application [1]夏凯伦，蹇木强，张莹莹.纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料prospects and trends in the field of flexible electronic devices.Key words: carbon nanotubes, flexible electronics, device
