南京大学余林蔚团队/扬州大学刘宗光Nano-Micro Letters：基于形貌工程构建的高性能柔性晶硅器件及其应用

第一作者：晏磊

通讯作者：刘宗光教授、王军转教授、余林蔚教授

通讯单位：南京大学电子科学与技术学院、扬州大学物理科学与技术学院

论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01724-1

• 论文背景

柔性电子器件是一类能够在机械变形（如弯曲、拉伸和折叠）条件下工作的电子设备，在可穿戴设备、电子皮肤、智能传感以及脑机接口等领域中扮演着重要角色。尽管晶体硅（c-Si）作为最成熟且可靠的高性能电子材料，广泛应用于高性能电子器件中，但其固有的脆性和刚性限制了在柔性电子领域的应用。为了克服这一挑战，研究人员利用形貌工程或结构设计的方法，从“硅岛”设计（3D体硅）到硅薄膜蚀刻（2D硅薄膜）到硅纳米线（1D）三个层次赋予硅材料及其器件柔性或可拉伸性。值得注意的是，面内固-液-固（in-plane solid-liquid-solid, IPSLS）引导可编程硅纳米线（SiNWs）生长的策略为制备具有弹性特性的SiNWs阵列提供了基础，被视为获得超柔性和超可拉伸硅材料的极具潜力的方式。进一步，通过将柔性硅材料与柔性电子学相结合，为开发高性能柔性电子器件开辟了新的路径。

• 文章简介

近期，南京大学余林蔚教授、王军转教授与扬州大学刘宗光教授团队在国际期刊《Nano-Micro Letters》上发表了综述论文，总结了近年来通过形貌工程提升硅材料柔韧性和机械性能的主要策略，并探讨了基于硅的柔性电子器件应用的最新进展，包括晶体管、传感器、纳米探针、微纳机电系统和生物界面等。文中还讨论了当前领域内的关键科学与技术挑战，并展望了未来研究方向，旨在推动硅基柔性电子的广泛应用及产业化进程。

图1 柔性硅材料的制备策略以及其电子器件应用

• 图文解析

• 柔性晶硅材料制备技术

1. 1. 论文从柔性衬底上的三维块体硬岛（图2）到二维柔性薄膜（图3）再到一维纳米线（图4和图5）三个层次系统回顾了晶硅柔性化的关键策略。

图2 在柔性衬底上设计局部化的刚性“硅岛”实现整体器件的柔性

图3 通过减薄晶硅薄膜并采用折叠或波状结构设计构建柔性薄膜

图4 采用气-液-固（VLS）生长技术制备柔性SiNWs

图5 采用面内固-液-固（IPSLS）模式引导生长柔性SiNWs

• 柔性硅纳米线器件应用

1. 1. 论文特别强调，SiNWs作为准一维半导体纳米材料，在多个领域展现出巨大应用潜力。系统总结了SiNW在柔性太阳能电池（图6）、柔性光电生物应用（图7）、柔性晶体管器件（图8）、柔性力学传感（图9）和电生理信号传感（图10）、纳米/微机电系统（N/MEMS）应用（图11）以及柔性导电连接和电极（图12）等领域的最新研究进展。

图6 柔性SiNWs太阳能电池

图7 柔性SiNW光电刺激和光电生理信号探测

图8 柔性SiNWs晶体管器件

图9 柔性SiNWs应变传感器用于生物力学信号探测

图10 柔性SiNW生物探针用于细胞内电生理探测

图11 柔性SiNWs纳米机电系统用于微物体操控、开关应用

图12 其他柔性SiNW器件（导电连接、透明电极和纳米线掩膜）应用

• 柔性晶硅电子器件展望

尽管近年来硅基柔性器件在集成与应用方面取得了显著进展，但其在实际部署过程中仍面临多项核心技术挑战。其中，如何实现传统硅器件与可拉伸导电互连材料的高效集成，是当前制约高密度柔性/可拉伸器件应用的关键问题之一。此外，柔性电子系统正逐渐向多功能、高集成度方向发展，因此开发具备多种传感、响应或控制能力的柔性器件也成为研究热点。同时，为满足复杂生物界面或动态人体环境的适配需求，器件不仅需要具备柔性，更需实现超柔软性和高拉伸性，以保持长期的机械稳定性和电学性能。系统性地解决上述挑战，不仅有助于推动硅基柔性电子技术从实验室走向实际应用，更将为新一代智能终端、可穿戴设备乃至植入式医疗系统的创新提供关键支撑和技术路径。