综述：纸基柔性电子器件加工、集成和应用
2025-08-10 11:19:35 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文探讨了纸基电子器件的关键要素，包括对纸基底的物理和化学性质的详细分析，对电极和活性层制备方法的多样化探索，以及对各种类型的纸基电子器件（例如力学传感器、电化学传感器、光学传感器、湿度传感器、光电探测器和超级电容器）功能和应用的详细描述。
在当今数字化和智能化的时代，电子器件作为获取和处理信息的关键部件，正在经历深刻的变革和创新，以满足各个领域日益增长的多样化需求。从环境监测到医疗诊断，从消费电子到工业自动化，人们对高灵敏度、高稳定性、低成本和易于集成的电子器件的追求从未停止。纸（Paper）作为一种古老而广泛使用的材料，凭借其独特的物理化学性质，例如轻质、多孔、可生物降解、柔性和丰富的表面化学性质，逐渐成为构建新型电子器件的理想基材。纸基电子器件这一新兴领域，不仅继承了纸的优点，而且通过与现代电子技术的有机结合，显示出非凡的应用潜力，为电子器件的发展开辟了一条全新的道路。
据麦姆斯咨询报道，近期，南京工业大学和西北工业大学的研究人员在npj Flexible Electronics期刊上发表了题为“Paper-based flexible electronic devices: processing, integration, and applications”的综述文章。文中全面综述了纸基柔性电子器件的研究进展，重点介绍了纸基底的物理和化学性质、器件结构、电极和有源层的制造方法及其应用。文中还指出了纸基电子器件当前面临的挑战，例如与长期稳定性和大规模生产工艺优化相关的问题。
纸基结构
纸基材料以其独特的物理和化学结构特性，成为柔性电子器件的理想基材。具体而言，纸基材料的柔韧性赋予柔性电子器件优异的弯曲和拉伸性能；轻质特性降低了器件的整体重量；纸基材料的多孔特性为电子传输和材料交换提供了有效的通道；可切割和打印特性大大提高了器件设计和制造的灵活性和精度。此外，纸基材料的可再生性符合可持续发展的理念；易改性和功能化为器件定制和多功能化提供了可能；热稳定性和化学稳定性确保了器件在各种复杂环境中稳定运行。这些特性共同构成了纸基材料在柔性电子器件领域的独特优势，并为其在各种应用场景中的广泛应用奠定了坚实的基础。
纸基材料的微观结构与化学结构
纸基电子器件的通用配置与加工技术
纸基器件根据其功能特性可分为两类：电子器件和光学器件，每一类都呈现出独特的结构配置和功能原理。考虑到电子器件通常具有复杂的器件结构，研究人员以电子器件为例，介绍了不同电子器件的功能组成和器件结构。在纸基电子器件领域，它们主要可分为电阻型、电容型、光电型、场效应晶体管型和二极管型。
纸基电子器件的一般器件结构
尽管这些器件在功能实现上遵循不同的物理机制，但它们在结构组成上表现出一些共性。它们都含有纸基底、电极材料和活性材料等核心组件。鉴于这些基本组件对器件性能的关键作用，电极部分和活性层的制备工艺和集成技术尤为重要，构成了研究工作的核心问题。
纸基电子器件结构示意图
纸基电子器件的制备与集成方法构成了一个多元化、技术密集型的领域，主要包括但不限于以下高精度、高效率的制备技术：丝网印刷、喷墨打印、电化学沉积、真空过滤技术、滴铸、水面自组装法等。这些技术各有其独特的优势，可根据纸基电子器件的具体应用要求和性能指标进行灵活的选择和组合，以实现高性能、低成本、大规模的器件制备。
丝网印刷技术及其制造的器件
喷墨打印技术及其制造的器件
电化学沉积方法及其制造的器件
表面自组装法
纸基电子器件的应用
在纸基电子器件的研究领域，一系列创新应用正逐渐展现出其巨大的潜力。这些器件主要包括用于监测和响应外部机械应力变化的纸基力学传感器；用于通过电化学原理检测特定化学物质的存在或浓度的纸基电化学传感器；利用光学效应实现光信号传感和转换的纸基光学传感器；测量和监测环境湿度变化的纸基湿度传感器；结合光学和电子特性用于检测光信号并将其转换为电信号的纸基光电探测器；作为高效储能元件为纸基电子系统提供必要电气支持的纸基超级电容器。这些多样化的纸基电子器件不仅扩展了纸张作为信息载体的传统功能，还为可穿戴设备、环境监测和医疗保健等领域带来了革命性的技术进步。
纸基电阻应力传感器
纸基气体传感器
纸基湿度传感器及其器件性能
纸基超级电容器及其器件性能
总而言之，文中深入探讨了纸基电子器件的关键要素，包括对纸基底的物理和化学性质的详细分析，对电极和活性层制备方法的多样化探索，以及对各种类型的纸基电子器件（例如力学传感器、电化学传感器、光学传感器、湿度传感器、光电探测器和超级电容器）的功能和应用的详细描述。研究人员清楚地认识到，纸基电子器件领域已取得重大进展。研究人员在优化材料性能、提高器件灵敏度和稳定性方面取得了显著成果，为其在可穿戴设备、环境监测和生物医疗等诸多领域的初步应用奠定了基础。然而，该领域仍有许多挑战需要克服。例如，纸基材料的长期稳定性和耐用性仍需大幅提升，以满足在复杂环境中实际使用的需求；制备工艺的复杂性和成本限制了大规模工业化生产；各种器件的集成化与多功能协同性需要增强，以实现更复杂、更高效的系统应用。
展望未来，随着材料科学和纳米技术的不断发展，有望开发出性能更好、成本更低的新型纸基材料和功能层制备工艺。通过深度的跨学科融合，进一步优化器件设计和集成，推动纸基电子器件向高灵敏度、高稳定性、多功能、小型化、智能化方向发展，从而拓宽其在智能家居互联网、生物传感、即时诊断等新兴领域的广泛应用，为未来电子产品的绿色、柔性、可持续发展开辟新的道路，创造更多引领电子技术新一轮变革的可能性与机遇。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-025-00446-z
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