第一作者：Kaiwen Zeng, Xiang Shi, Chengqiang Tang
通讯作者：彭慧胜教授，刘霆教授
通讯单位：复旦大学，中南大学
【研究背景】
现代电子设备发展的一个显著趋势是与人们身体密切相关的设备得到迅速发展，对可穿戴设备的需求正在增加。传统的平面电子设备过于笨重和坚固，无法轻易满足这些需求，这刺激了电子设备的发展。一种通用且有效的解决方案是减少设备的厚度，以制造可能附着在皮肤上的柔性薄膜。进一步减少其他维度的厚度，产生了高度柔性的纤维设备，可以承受复杂的变形。它们可以很容易地编织成透气舒适的电子纺织品进行大规模生产，为可穿戴应用提供了一个有前途的方向。同时，光纤电子设备几乎具有所有所需的功能，例如能量收集， 储能，传感和显示，在过去十年中性能得到显著发展。重要的是，例如光纤发光设备和锂离子电池，可以在保持高质量的同时廉价地大规模生产。
此外，将单功能光纤设备集成到多功能系统中已经成为一个有前途的方向。由各种纤维形状部件制成的系统具有固有的优势，例如高柔韧性和透气性。然而，从实验室中单独工作的光纤设备过渡到工业生产的多功能光纤电子系统并非易事，必须应对巨大的挑战。
【成果简介】
在此， 复旦大学彭慧胜教授和中南大学刘霆教授等人 旨在强调光纤电子系统具有发展前途的设计概念、装配策略和性能改进。然后从涉及材料科学、电气工程、纺织工程和健康监测的多学科角度分析它们的实际应用。最后总结了剩余的挑战，以指导学术界和工业界的未来研究。相关研究成果以“ Design, fabrication and assembly considerations for electronic systems made of fibre devices ”为题发表在 Nature Reviews Materials 上。
【核心内容】
光纤电子系统通常由具有不同功能的电气互连光纤设备制造（图1），但纤维是高度弯曲的，这导致电场与平面类似物不同。其他挑战包括横向和轴向电荷传输的共存以及实现稳定的界面。虽然连续制造 已成为光纤设备可扩展生产的一种有前途的方法，光纤所需的薄度使得大规模设备的一致生产具有挑战性，而随着光纤长度的电阻增加而加剧了这种情况。可以通过连接多个基于光纤的组件或将它们嵌入纺织品来制造集成设备，但先进光纤电子系统的开发涉及光纤设备复杂性的重要增加，可能会导致复杂的连接和电气兼容性挑战。为了解决这些问题，需要更好的处理精度和有效的布局设计。最后，为了满足商业化需求，机械和电子稳定性、佩戴舒适性、安全性和应用场景等实际考虑都会影响光纤电子系统的商业成功。
设计光纤电子学的另一种策略涉及在光纤内部构建电子功能。原则上，这种策略更加灵活，因为可以通过这种方式集成更多功能，但有限的材料选择以及与精确控制光纤位置和连接相关的困难阻碍了进展。
图1. 光纤电子系统的设计。
光纤电子设备的设计
电场是电子设备的基础，电荷传输从一个电极驱动到另一个电极。在传统的笨重电子设备中，电场均匀分布在整个平面界面中。然而，在光纤系统中，由于两个光纤电极的高度弯曲表面，两个光纤电极之间的电场通常是不均匀的（图2b），这导致电荷浓度和不均匀的电荷传输和离子沉积。 重建电场是一个简单的策略 ，例如，导电纬纱可以设计成有弹性的，通过变形来适应弯曲且更刚性的发光经线，在纬经接触点产生均匀的电场。 使电极多孔可能是另一种解决方案 ，以便活性材料可以均匀分布以产生均匀的电场。例如，电场分布的模拟表明，通过在锂氧电池中构建导电支架，可以改善锂通量的均匀性。到目前为止，此类研究是有限的。
光纤设备面临的另一个挑战在于实现高界面稳定性，由于纤维电极表面高度弯曲，因此很难对活性材料建立牢固的附着力。 多个光纤电极的分层组装可能是降低界面衰减对器件性能影响的有效策略。一个代表性的例子是基于多级扭曲碳纳米管的电极，其中排列的碳纳米管之间丰富的纳米级间隙为活性材料提供了良好的约束，从而稳定了它们在电极上的粘附。然而，纤维器件在实际工作条件下必须经历各种变形，例如弯曲、拉伸和扭曲，这大大增加了活性层出现裂纹和分离的可能性。
图2. 光纤电子设备的设计。
纤维电子设备的一致性制造
为了组装成系统，光纤设备应比实验室水平大几个数量级，这对它们在制造和性能方面的一致性提出了巨大的挑战（图3）。制造一致性是光纤设备集成到系统中的必要先决条件，连续制造方法，如溶液挤出、热拉伸和连续涂层，在光纤设备的大规模制造中脱颖而出。
图3. 光纤电子设备的一致性。
将光纤电子设备组装到系统中
具有不同功能的光纤设备可以沿轴向扭曲成光纤系统，用于体内应用，例如监测多种生物标志物以及同时对神经回路进行光学、电气和化学询问，或者它们可以编织到可穿戴设备的纺织系统中。然而，将单功能光纤设备组装成多功能系统仍然是一个技术挑战。 在光纤设备之间布置导电线并将光纤电极连接到电路中是系统组装的两个关键程序。 印刷和转移技术是实现平面电路的两种成熟方法，这可以通过用纺织衬底代替柔性薄膜衬底来应用于电子纺织品。在纺织品上印刷柔性导电图案可以形成基于纺织品的电路线，然后可以根据纺织电路的图案集成导电线（图4a）。加工精度对于连接纺织品中编织的纤维电极的图案导电线至关重要，根据印刷方法的不同，例如导电油墨的挤出或丝网印刷，精度可以达到数百微米。在转移方法中，在普通衬底上制造的柔性电路通过粘合剂层释放并固定在纺织品上，由于柔性电路可以使用高精度平版印刷进行图案化，因此转移方法的精度高于印刷方法，这对于纺织电路是有利的。
图4. 光纤电子系统的组装。
综上所述，柔性透气的光纤电子系统是未来可穿戴电子产品的多功能平台。在功能、性能、大规模制造和组装方面取得了令人鼓舞的成就，但主要应集中精力开发能够更好地适应纤维高度弯曲特性的活性材料。目前的材料主要直接采用平面类似物，导致性能较差。此外，光纤设备可实现的功能库需要进一步丰富，特别是数据处理设备。未来用于能源应用的光纤电子系统应将光纤电池与光纤太阳能电池集成在一起，将阳光和室内光转化为电能。最后，优化工程设计是光纤电子系统“从实验室到产业化”过渡的最后一步。同时，材料的工艺流程应成本低、安全、环保，材料设计应满足不同应用场景的耐久性和安全要求，如高压灭菌、极端温度、浸泡在天然水中、紫外线照射以及婴幼儿使用等。此外，集成系统还应抵抗磨损，并应抑制过敏反应。建立质量和可靠性的工业标准也至关重要。
【文献信息】
Kaiwen Zeng, Xiang Shi, Chengqiang Tang, Ting Liu, Huisheng Peng, Design, fabrication and assembly considerations for electronic systems made of fibre devices , 2023, Nature Reviews Materials , https://doi.org/10.1038/s41578-023-00573-x