陳 港，彭從星，況宇迪，曾 勇，朱朋輝，姚日暉，寧洪龍，方志強(qiáng),

(1 華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國家重點實驗室，廣州 510640； 2 華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室，廣州 510640)

智能手機(jī)、平板電腦、太陽能電池、射頻標(biāo)簽等電子器件的出現(xiàn)極大地方便了人類的生活和工作，成為人類社會不可或缺的一部分[1]。但是，技術(shù)的快速更替縮短了電子器件的壽命，產(chǎn)生了大量難以降解、有毒的電子垃圾。據(jù)UNU報告顯示，2015年全球丟棄的電子器件的總量共有5000萬噸，并以每年200萬噸的數(shù)量繼續(xù)增長。快速增長的電子垃圾正給人類賴以生存的自然環(huán)境造成巨大負(fù)荷。如何解決上述矛盾，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展是全球面臨的一個重要挑戰(zhàn)。采用天然材料，通過技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步，制備具有優(yōu)異性能、低環(huán)境載荷、可生物降解特性的新型電子器件有望從根本上解決這一問題，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。

襯底是電子器件重要的組成部分，約占器件總質(zhì)量的90%以上。除了提供基本的機(jī)械支撐外，襯底還在很大程度上決定電子器件的強(qiáng)度、柔性、質(zhì)量、光學(xué)性能及加工方式等[2]。目前，塑料薄膜(PET，PEN，PI，PC等)是制造柔性電子器件時最為常用的一類襯底[2-3]，具有輕便、柔性、透明等特點。但是，塑料襯底存在著價格高、熱膨脹系數(shù)大、不耐高溫等問題；更為重要的是大部分塑料制品源自于石化加工，在消耗不可再生資源的同時，還具有難以生物降解的特性，給環(huán)境帶來極大的負(fù)荷，因而限制它們在柔性電子器件中的應(yīng)用[4-5]。紙張因其柔性、來源豐富、性能可控、輕便、環(huán)保等優(yōu)點，有望成為柔性電子器件的理想襯底材料。但是，普通紙張粗糙的表面和多孔的結(jié)構(gòu)對其在柔性電子器件中的應(yīng)用也帶來了不便和挑戰(zhàn)[3]。

近年來，由納米纖維素制備的新型紙張——納米紙引起了高校、科研院所、企業(yè)的廣泛關(guān)注。它的密度介于0.8～1.5g/cm3之間，具有優(yōu)異的柔韌性[2,4,6-8]、納米級的表面粗糙度[2,7,9]、良好的熱穩(wěn)定性[10-11]、可調(diào)控的透明度[2,6,11-16]、高的抗張強(qiáng)度[17-18]以及良好的阻隔性等特點[19-20]。這些優(yōu)異的性能使得納米紙有望成為下一代綠色柔性電子器件的襯底[6-7,21-24]。近年來，各種基于納米紙襯底的柔性電子器件，如太陽能電池[12,25-27]、晶體管[4,9,28-29]、天線[30]、有機(jī)發(fā)光二極管[2,31-32]等相繼被各國的科學(xué)家報道出來，引起社會各界的廣泛關(guān)注，成為柔性電子器件領(lǐng)域一個新的研究熱點。但是，國內(nèi)對基于納米紙襯底的柔性電子器件的研究尚處于起步階段，需要更多的高校、科研院所、企業(yè)參與進(jìn)來，共同推進(jìn)下一代綠色柔性電子器件在國內(nèi)的發(fā)展。本文全面綜述了柔性電子器件納米紙襯底的研究進(jìn)展，從納米紙的制備、性能及其在柔性電子器件中的應(yīng)用3個方面進(jìn)行論述，并對現(xiàn)階段納米紙在柔性電子器件中遇到的挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)和展望，以期為國內(nèi)在柔性電子器件納米紙襯底的研究與開發(fā)方面提供理論借鑒和參考。

1 納米紙的制備

圖1為納米纖絲化纖維素(Nanofibrilated Cellulose,NFC)、纖維素納米晶體(Cellulose Nanocrystals,CNC)的透射電鏡圖，以及由NFC制備的納米紙和過濾法制備納米紙的生產(chǎn)工藝圖[22,33]。納米紙由NFC(圖1(a))、CNC(圖1(b))或細(xì)菌纖維素等制備而成。本文主要討論由NFC制備得到的納米紙(圖1(c))。由于NFC的納米級直徑及高保水特性，傳統(tǒng)的造紙工藝并不適用于納米紙的制備，必須對原有的造紙工藝進(jìn)行改進(jìn)或采用全新工藝。目前，納米紙的制備方法主要有真空過濾法、壓榨過濾法、鑄涂法以及噴霧沉積法。

圖1 NFC(a)，CNC(b)的透射電鏡圖[37]，由NFC制備的納米紙(c)[22]和過濾法制備納米紙的生產(chǎn)工藝圖(d)[33]Fig.1 TEM images of NFC(a) and CNC(b)[37], nanopaper prepared by NFC(c)[22],preparation diagram of nanopaper by filtration method(d)[33]

真空過濾法是實驗室制備納米紙的最常用方法。該方法首先將納米纖維素稀釋到0.2%以下的濃度，使其在水中充分分散；之后通過真空抽濾移除納米纖維素分散體中的絕大部分自由水；最后，經(jīng)過加壓干燥制備得到納米紙襯底。但由于納米纖維素的高親水性和納米級直徑，導(dǎo)致該方法制備納米紙過程存在脫水困難、過濾時間長(大于4h)、能耗高等問題。

針對納米紙制備效率低下的問題，Sehaqui 等[33]提出了一種在實驗室快速制備納米紙的方法(如圖1(d)所示)，其制備過程主要包括：真空抽濾、濕紙幅轉(zhuǎn)移以及后續(xù)的真空干燥，整個工藝耗時1h。Monika等[18]報道了一種壓榨過濾制備納米紙的新工藝。經(jīng)6次均質(zhì)處理的NFC分散體經(jīng)過壓榨過濾制備成納米紙。通過以上改進(jìn)措施，過濾法制備納米紙襯底的效率得到了較大的提升，但是與傳統(tǒng)的造紙工藝相比，其效率依然太低，不適用于納米紙襯底的連續(xù)化、規(guī)?；苽?。

為了進(jìn)一步提高納米紙的制備效率及其規(guī)?；a(chǎn)能力，研究人員開始嘗試采用其他方法實現(xiàn)納米紙襯底的高效率制備。Varanasi等[34]采用實驗室手抄片裝置，經(jīng)過濾脫水、壓榨和干燥等傳統(tǒng)造紙流程制備出納米紙，整個制備過程只需10min。Beneventi等[35]提出一種噴霧沉積法快速制備納米紙，明顯提高了制備效率以及規(guī)模化生產(chǎn)的能力。Miao等[14]則提出一種壓控擠出成形方法，成形時間可控制在15min以內(nèi)。盡管這些方法大幅度地提高了納米紙的制備效率，但是，上述方法得到的納米紙的表面性能難以滿足器件構(gòu)建的要求。

Aulin等[19]提出一種鑄涂的方法制備納米紙，將NFC分散體放置在培養(yǎng)皿中，然后將其放置在溫度為23℃、相對濕度為50%的環(huán)境中干燥。這種方法所需的干燥時間一般大于24h。相比于過濾法，這種方法不僅實現(xiàn)了納米纖維素百分百保留，而且納米紙的表面性能得到顯著提升。基于該方法，芬蘭的VTT技術(shù)研究中心和奧博大學(xué)[36]的研究人員共同開發(fā)了一條半產(chǎn)業(yè)化卷對卷生產(chǎn)納米紙的中試線，實現(xiàn)了納米紙的連續(xù)化生產(chǎn)。

2 納米紙的性能

2.1 力學(xué)性能

單根纖維素納米纖維的抗張強(qiáng)度高達(dá)7.5～7.7GPa[37]，遠(yuǎn)高于常見的鋼材抗張強(qiáng)度[38-40]。納米紙是一種由納米纖維素通過隨機(jī)交錯排列而形成的層狀多孔性材料[41]，這種結(jié)構(gòu)賦予納米紙優(yōu)異的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度[2,9]，而良好的機(jī)械強(qiáng)度是保證電子器件順利構(gòu)建及其后續(xù)使用的基礎(chǔ)。納米紙的力學(xué)性能主要指抗張強(qiáng)度和楊氏模量。圖2(a)比較了PET(polyethylene terephthalate)、再生纖維素薄膜以及納米紙的抗張強(qiáng)度[2]。可以看出，納米紙的抗張強(qiáng)度遠(yuǎn)高于PET和再生纖維素膜RCF。孔隙率是影響納米紙抗張強(qiáng)度和楊氏模量的主要因素之一[17,41]。隨著納米紙內(nèi)部孔隙率的上升，抗張強(qiáng)度表現(xiàn)出下降的趨勢(圖2(b)[41])。此外，環(huán)境濕度對納米紙的強(qiáng)度性能亦有較大影響。紙張水分含量和孔隙率的上升，都會導(dǎo)致納米纖維間氫鍵的減弱及斷裂，從而導(dǎo)致楊氏模量和抗張強(qiáng)度的下降[42]。納米紙的強(qiáng)度也與納米纖維素的聚合度、制備方法以及納米紙的抄造工藝有關(guān)[18,41,43]。研究表明，納米纖維素的聚合度與納米紙的抗張強(qiáng)度成正比關(guān)系[41]。TEMPO氧化預(yù)處理制備得到的納米纖維素與硫酸水解預(yù)處理相比，前者制備出的納米紙的楊氏模量和抗張強(qiáng)度均要更高一些[43]。經(jīng)熱壓后的納米紙，其抗張強(qiáng)度亦有明顯提高，這主要歸因于納米紙緊度的提升[18]。

圖2 納米紙，PET和再生纖維素薄膜的抗張強(qiáng)度比較(a)[2]以及具有不同孔隙率的納米紙的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(纖維素的聚合度為800)(b)[41]Fig.2 Comparison of tensile strength for nanopaper,PET,regenerated cellulose film(a)[2], and stress-strain curves fornanopaper with different porosities(cellulose with DP 800)(b)[41]

2.2 熱穩(wěn)定性

熱處理(溫度在150～200℃之間)是提升電子器件性能的一道重要工序，這對襯底的熱穩(wěn)定性提出了較高的要求[11,44]。熱分解溫度和熱膨脹系數(shù)是評價襯底熱穩(wěn)定性的兩個重要參數(shù)。天然纖維素大量開始分解的溫度大于300℃[45]，納米紙的熱分解溫度則在很大程度上受納米纖維素的制備工藝影響。由堿處理的NFC制備的納米紙的熱降解溫度略低于天然纖維素，約為299.5℃(圖3(a)[44])。當(dāng)溫度低于200℃時，納米紙的透明度和外觀等幾乎不變[11,44,46]。而由TEMPO氧化預(yù)處理得到的NFC制備的納米紙的熱降解溫度為211℃，這主要歸因于纖維素葡萄糖單元碳六位上羧基的引入[10]。Yagyu等[47]通過調(diào)節(jié)TEMPO氧化過程中的反應(yīng)條件，降低TEMPO氧化制得的納米纖維素的羧基含量，可以明顯提高納米紙的熱穩(wěn)定性。

納米纖維素結(jié)晶區(qū)在徑向方向的熱膨脹系數(shù)為0.1×10-6K-1，遠(yuǎn)低于塑料、大多數(shù)金屬和陶瓷[48-49]。因此，由納米纖維素制備的納米紙也具有優(yōu)異的熱膨脹系數(shù)，其數(shù)值一般不超過8.5×10-6K-1，小于塑料的熱膨脹系數(shù)(20×10-6～50×10-6K-1)[24]。從圖3(b)可知，相比于PET和再生纖維素薄膜，納米紙具有更低的熱膨脹系數(shù)和更高的楊氏模量，使得納米紙具有替代塑料用于制造柔性電子器件的潛力[44,2]。

圖3 普通紙和納米紙的熱重分析曲線(a)[44]以及PET，再生纖維素薄膜，納米紙的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量(b)[2]Fig.3 TG curves for common paper and nanopaper(a)[44], and coefficient of thermal expansions vs Young’smodulus for PET,regenerated cellulose film and nanopaper(b)[2]

2.3 光學(xué)性能

普通紙張的光學(xué)性能主要指白度、不透明度、光澤度，而對于適用于柔性電子器件的納米紙襯底而言，透光率和霧度則是評價其光學(xué)性能的主要指標(biāo)。Zhu等[13]通過數(shù)學(xué)建模研究了納米纖維素的直徑和納米紙的緊度對光散射作用的影響(圖4)，其中所有紙的厚度為40μm。研究發(fā)現(xiàn)，隨纖維直徑的減小，對光的散射作用也隨之減弱，納米紙的透明度提高，霧度下降。由直徑為50nm和10nm的NFC制備的納米紙的透光率相近，均達(dá)到92%～93%，但是霧度相差較大，分別為49%和20%(550nm)，表明納米紙的霧度受纖維直徑的影響更為顯著。此外，緊度的增加使納米紙的孔隙率下降，光散射作用減弱，納米紙的透明度提高，霧度下降。因此，通過改變納米纖維的直徑和納米紙的緊度，可實現(xiàn)納米紙霧度的可控調(diào)節(jié)，從而滿足不同電子器件的要求。例如，高霧度的納米紙可用于提高薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率[50]；中等霧度的納米紙可賦予戶外顯示屏防炫光性[13,51]；而霧度小于1%的納米紙則適用于室內(nèi)顯示屏，以保證圖像優(yōu)異的顯示質(zhì)量[5,52]。

圖4 直徑分別為50nm(a)和10nm(b)的NFC制備的納米紙的鏡面透過率和漫射透過率，以及納米紙和普通紙的霧度變化曲線(c)[13]Fig.4 Specular and diffusive transmittance of nanopaper made from 50nm(a) and 10nm(b) NFC respectively, and the haze forcommon paper and nanopaper(c)[13]

3 納米紙襯底的器件應(yīng)用

納米紙襯底因其獨特優(yōu)異的性能有望成為下一代綠色、柔性、輕質(zhì)、低成本的電子器件的襯底。在過去的5年間，各種基于納米紙的柔性電子器件被各國的科學(xué)家構(gòu)建出來，如導(dǎo)電電路[46]、天線[52]、太陽能電池[12,25-27]、柔性存儲器[53]和超級電容器[54]等。本文介紹3種基于納米紙構(gòu)建的柔性電子器件：薄膜晶體管(TFTs)，太陽能電池(solar cells)和有機(jī)發(fā)光二極管(OLEDs)。

3.1 納米紙基薄膜晶體管

晶體管是一種重要的半導(dǎo)體器件，具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能。Huang 等[9]率先在納米紙襯底上構(gòu)建了透明柔性有機(jī)晶體管(如圖5(a))。以碳納米管為柵極，銀為源/漏極，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)為柵極介電層，合成的NTCDI-F15有機(jī)半導(dǎo)體為有源層。該納米紙晶體管的載流子遷移率約為4.3×10-3cm2·V-1·s-1，開關(guān)比達(dá)到200。該研究初步展現(xiàn)了在納米紙上構(gòu)建有機(jī)晶體管的可行性，但是其性能較差，難以滿足晶體管實際應(yīng)用的要求。Fujisaki等[4]報道了具有優(yōu)異性能的納米紙有機(jī)薄膜晶體管，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖5(b)。以鉬為柵極，金為源/漏極，含氟聚合物層為柵極介電層，可溶性小分子有機(jī)半導(dǎo)體為有源層。該OTFT的遷移率達(dá)到1cm2·V-1·s-1，開關(guān)比在106～108。Gaspar等[28]以半導(dǎo)體氧化物GIZO (Ga2O3-In2O3-ZnO)為有源層，納米紙為襯底和柵極介電層，鋁為源/漏極，構(gòu)建了透明納米紙場效應(yīng)晶體管(如圖5(c)中的插圖)，其溝道飽和遷移率超過7cm2·V-1· s-1，開關(guān)比超過105，亞閾值擺幅為2.11V/dec。

上述基于納米紙襯底的晶體管需要經(jīng)過熱處理(處理溫度：100～200℃ ，處理時間30～60min)才能獲得滿意的器件性能。為簡化制備工藝，科學(xué)家開始探索常溫制備納米紙晶體管。Bao等[55]采用二維材料為有源層構(gòu)建納米紙晶體管，以金為柵極、源/漏電極，氧化鋁為柵極介電層，二硫化鉬為有源層，通過蒸鍍和機(jī)械剝離在納米紙上常溫構(gòu)建場發(fā)射晶體管。該晶體管的開關(guān)比達(dá)到105，但是并未提及其他的性能參數(shù)?；趯ρ趸锉∧ぞw管結(jié)構(gòu)與性能的深入研究[56-58]，Ning等[59]設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)(IGZO/Al2O3)的有源層(圖5(d))，成功實現(xiàn)常溫構(gòu)建高性能納米紙TFT，避免了后續(xù)熱處理工藝。如圖5(e)所示，納米紙TFT的遷移率為15.8cm2·V-1·s-1，開關(guān)比為4.4×105，亞閾值擺幅僅為0.66V/dec。

圖5 構(gòu)建在納米紙上的透明柔性晶體管(a)[9]和有機(jī)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)示意圖(b)[4]，NCC納米紙基場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線(c)[28], 納米紙襯底IGZO/Al2O3 TFT結(jié)構(gòu)示意圖(d)及其轉(zhuǎn)移特性曲線(e)[59]Fig.5 Photo of transparent and flexible transistor(a)[9] and schematic of organic thin-film transistor(OTFT)(b)[4],output characteristics for the GIZO field effect transistor with an NCC membrane prepared by evaporation as the gate dielectric(c)[28],schematic(d) and transfer characteristics(e) of IGZO/Al2O3 TFT on nanopaper[59]

3.2 納米紙基太陽能電池

納米紙在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用也獲得了較大的進(jìn)展。Hu等[12]在納米紙襯底上構(gòu)建了有機(jī)太陽能電池(圖6(a))。雖然該太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率僅為0.40%，但是初步展現(xiàn)了構(gòu)建納米紙基太陽能電池的可行性。為了提升納米紙基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，Zhou等[26]通過降低納米紙的表面粗糙度，構(gòu)建了光電轉(zhuǎn)化效率為2.7%的有機(jī)太陽能電池，并且實現(xiàn)了原材料的回收利用(圖6(b))。此外，該團(tuán)隊以聚乙烯亞胺改性的銀作為底部電極，膜轉(zhuǎn)移層壓的PEDOT∶PSS PH1000作為頂部電極，提高了光線進(jìn)入光吸收層的比例，使納米紙基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提升到4.0%[27]。除了提升納米紙基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率外，研究人員也在拓展納米紙基太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域方面開展工作。Nogi等[25]報道了一種基于納米銀線透明導(dǎo)電納米紙構(gòu)建的可折疊的太陽能電池(圖6(c))，其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到3.2%，有望在便攜式電子設(shè)備中得到應(yīng)用。

圖6 構(gòu)建在導(dǎo)電納米紙上的有機(jī)太陽能電池(a) [12]，CNC納米紙基太陽能電池的電流密度與電壓曲線(b) [26]以及便攜式納米紙基太陽能電池照片(c)[25]Fig.6 Organic solar cells on conductive nanopaper(a) [12],I-V curves of the solar cell on CNC substrate(b)[26],and portable solar cells based on foldable and lightweight transparent conductive nanofiber paper(c)[25]

3.3 納米紙基有機(jī)發(fā)光二極管

有機(jī)發(fā)光二極管(OLEDs)是一種在電流的作用下會發(fā)光的二極管。2009年，Okahisa等[31]在纖維素納米纖維增強(qiáng)的透明樹脂薄膜上，通過沉積電致發(fā)光層構(gòu)建了有機(jī)發(fā)光二極管(圖7(a))，但是沒有對其工作性能進(jìn)行說明。Zhu等[2]報道了納米紙基有機(jī)發(fā)光二極管。該OLEDs以納米紙為襯底，從底部到頂部分別是20nm鈣電子注入層，發(fā)光聚芴層，10nm氧化鉬層以及30nm的PEDOT∶PSS(聚(3,4-乙撐二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸鹽)空穴注入層。從圖7(b)可知，納米紙OLEDs具有優(yōu)異的柔韌性，彎曲后其性能只出現(xiàn)輕微的下降。以上研究只是展現(xiàn)了納米紙基OLED構(gòu)建的可行性，而缺乏對其發(fā)光效率的研究。Najafabadi等[32]以沉積在400nm α-NPD層上的Al/LiF為底部陰極，以Au/MoO3為頂部陽極，制造出了發(fā)磷光的CNC納米紙基OLED。該OLED的最大亮度達(dá)到74591cd/m2。在100,1000cd/m2亮度下，其電流效率分別達(dá)到53.7,41.7cd/A(圖7(c))，是目前效率最高的納米紙基有機(jī)發(fā)光二極管。

圖7 構(gòu)建在纖維素納米纖維增強(qiáng)樹脂薄膜上的柔性O(shè)LEDs(a)[31]，構(gòu)建在NFC納米紙上的OLEDs在自然和彎曲狀態(tài)下的電流和電壓曲線(b)[2]，構(gòu)建在CNC納米紙上的OLEDs的亮度和電流效率與電壓的關(guān)系曲線(c)[32]Fig.7 Digital image of flexible OLEDs on the wood-cellulose nanocomposite(a)[31], J-V curves of the flexible OLEDs in the flatand bent states,respectively(b)[2],luminance and current efficacy versus voltage of OLEDs on CNC substrates(c)[32]

4 本領(lǐng)域的重要科學(xué)技術(shù)問題

表1總結(jié)了用于構(gòu)建有機(jī)薄膜晶體管、有機(jī)太陽能電池和有機(jī)發(fā)光二極管納米紙襯底的研究現(xiàn)狀。

表1 納米紙襯底的制備、性能及其應(yīng)用Table 1 Preparation, properties and applications of nanopaper substrates

Note:D=diameter;L=length;Td=thermal degradation temperature;CTE=coefficient of thermal expansion;PCE=photoelectric conversion efficiency.

目前，木質(zhì)纖維是制備納米紙襯底的主要原料，經(jīng)化學(xué)和/或機(jī)械處理得到的NFC和酸水解得到的CNC在柔性電子器件中的應(yīng)用研究也在同步進(jìn)行。真空過濾法和鑄膜法目前是納米紙的兩種主要制備方法，制備出的納米紙的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和光學(xué)性能均能滿足柔性電子器件的構(gòu)建要求，通過器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和功能材料的優(yōu)選，基于納米紙襯底的電子器件的性能得到了不斷的提升。

但是，綜合現(xiàn)階段應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，納米紙襯底在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用還存在一些科學(xué)技術(shù)問題和挑戰(zhàn)：(1)在納米紙制備方面，高效大規(guī)模制備納米紙是實現(xiàn)納米紙規(guī)模化應(yīng)用所面臨的一個挑戰(zhàn)。由于納米纖維素的超細(xì)尺寸和高保水性，通過真空過濾或鑄膜法制備納米紙的時間成本太高。因此，如何提高納米纖維素水懸浮液的濃度和濾水性能，大幅減少成紙過程中的脫水時間仍是一個亟待解決的關(guān)鍵問題。另外，研發(fā)新的生產(chǎn)工藝和設(shè)備用于制備適用于電子器件的納米紙襯底是納米紙未來的一個重點研究內(nèi)容；(2)在納米紙性能方面，高親水性是其應(yīng)用于柔性電子器件時所必須克服的一個問題。由于納米纖維素高的比表面積以及豐富的羥基含量，用于普通紙張的抗水技術(shù)和方法難以直接應(yīng)用于納米紙。因此，在原有的基礎(chǔ)上，探究納米紙抗水的新機(jī)理、新方法、新策略，以實現(xiàn)納米紙抗水性能的提升；與其他功能性納米材料結(jié)合，研究納米纖維素與功能納米材料的界面作用機(jī)制，發(fā)揮不同組分之間的協(xié)同作用，進(jìn)一步優(yōu)化和提高納米紙的光、電、熱穩(wěn)定性、力學(xué)等性能是今后的重要研究課題；此外，不同的器件對納米紙襯底性能的要求有所不同，如何根據(jù)器件的要求，實現(xiàn)納米紙襯底性能的調(diào)控，也是未來的一個重要課題；與器件構(gòu)建和性能相關(guān)的納米紙關(guān)鍵性能參數(shù)有待進(jìn)一步探索和挖掘；(3)在器件構(gòu)建和應(yīng)用方面，目前大部分基于納米紙的器件構(gòu)建處于實驗室階段，研究重心側(cè)重于器件在納米紙襯底上構(gòu)建的可行性，探索將低成本、高效率的卷對卷生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用納米紙基電子器件的構(gòu)建是今后的一個重要研究方向。此外，器件的性能與現(xiàn)有基于玻璃或塑料構(gòu)建的器件的性能有較大的差距，深入系統(tǒng)地研究納米紙結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)對器件性能的影響規(guī)律以及器件功能層與納米紙襯底之間的相互作用規(guī)律，有助于提升納米紙電子器件的性能；基于納米紙襯底的電子器件在應(yīng)用環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐久性也是紙基電子器件商業(yè)化應(yīng)用所面臨的一個挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

納米紙作為一種天然、透明、柔性、可降解、可再生以及輕質(zhì)高強(qiáng)的新型襯底，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，可用于構(gòu)建薄膜晶體管、發(fā)光二極管、太陽能電池等電子器件，展現(xiàn)了其在柔性電子器件領(lǐng)域光明的應(yīng)用前景。從目前論文和專利的數(shù)據(jù)看，無論是論文的數(shù)量和質(zhì)量，還是專利數(shù)量，美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都走在世界的前列。我國關(guān)于納米紙及其電子器件應(yīng)用的研究還處于實驗室階段，與國外發(fā)達(dá)國家還存在較大的差距。雖然納米紙的出現(xiàn)不到10年時間，但是從納米紙的制備、性能研究到各種納米紙襯底在柔性電子器件的應(yīng)用研究已經(jīng)初步取得了一系列的突破和成果，對推動綠色襯底材料在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用起到了很好的引領(lǐng)作用。但是，為了實現(xiàn)基于納米紙襯底的柔性電子器件的商業(yè)化應(yīng)用，必須在納米紙的高效率制備、性能調(diào)控和優(yōu)化、器件構(gòu)建方法和工藝、器件性能提升及其穩(wěn)定性等方面獲得實質(zhì)性突破。

隨著學(xué)科之間的頻繁交叉、產(chǎn)學(xué)研合作的深入以及人類環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)，關(guān)于納米紙及其器件應(yīng)用的新技術(shù)、新方法、新工藝和新理論將會不斷涌現(xiàn)，相信在不久的將來，納米紙襯底將會成為一種很有競爭力的新型綠色襯底，應(yīng)用于構(gòu)建各種柔性電子器件，推動下一代電子器件朝著柔性、質(zhì)輕、低成本、可降解的方向發(fā)展，促進(jìn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。此外，隨著對納米紙及其柔性電子器件的深入研究和認(rèn)識，未來納米紙不僅可作為電子器件的襯底材料，起到機(jī)械支撐作用，還有望作為電子器件的功能組件，提升電子器件的性能(如作為抗反射層提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率)，從而進(jìn)一步拓展納米紙在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

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