柔性紙基集成器件研究取得進展

柔性感測器可穿戴或植入人體，並可檢測周圍環境信息，在醫療健康領域受到廣泛關注。然而，作為用電器件的感測器自身並不能獨立工作，需要電源為其供電。平面型微型超級電容器（MSC）作為新型的微型電化學儲能器件易與感測器或其它電子器件進行有效集成。一般的方法是將感測器與電源通過外接導線連接，但在柔性可穿戴技術中引起不便。如何將柔性和無線電源與感測器集成到同一晶元，是當前研究所面臨的挑戰。

紙質材料成本低、可即用即棄，並具有多孔和粗糙的纖維結構，可以增強其與電子器件的結合力。由於纖維素孔隙引起的毛細作用使通過印刷技術印刷的墨水材料在紙基表面擴散，導致形成的圖案質量較差。中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室研究員閻興斌團隊通過絲網印刷技術，在濾紙表面形成金屬 Ni 叉指化集流體，並結合後續的電鍍技術增強集流體的導電性，並抑制金屬 Ni 在紙基表面的擴散，形成了解析度較高的圖案化集流體。在 Ni 表面通過電化學沉積 MnO2或者聚吡咯（PPy）活性材料，並滴凃凝膠電解質，形成了基於 MnO2的對稱性超級電容器，以及基於 MnO2和 PPy 的非對稱超級電容器。經過測試，表明該紙基超級電容器具有較好的電化學特性和很強的耐機械形變特性（彎折1萬次後容量幾乎沒有衰退），其能量密度和功率密度皆位於同類型超級電容器的前列。

基於在紙面印刷的金屬集成電路，研究人員將 MSC 和紫外感測器或氣體感測器集成到同一單片紙上，集成器件顯示出良好的感測特性和自供電特性。未來有望將能量採集、能量存儲和用電器件集成到同一紙基晶元。這種基於紙質基底的集成策略為攜帶型和可穿戴電子開拓了新的設計方法。

該研究在線發表在Advanced Functional Materials上，研究工作得到了國家自然科學基金和研究所「一三五」重點培育項目的資助和支持。

紙基自供電感測器的集成示意圖與實物圖

來源：中國科學院蘭州化學物理研究所

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