研究背景
从传统的刚性电子器件形式发展而来的可拉伸电子器件代表了新一代的器件形式，其特点是能够承受高度拉伸、压缩、弯曲和扭曲等极端变形，同时保持优异的电气性能。在过去的二十年里，可拉伸电子器件的进步极大地改变了当今功能器件的面貌，并促成了柔性和可拉伸电子器件领域目前的繁荣。由于其出色的可变形性，柔性和可拉伸电子器件已在日常生活和工业领域的许多不同方面找到了大量实际应用，如长期医疗保健、诊断和治疗、运动防护和运动分析、大型设备的无损检测、机器人技术、化妆品、物联网等等。在本综述中，为避免混淆，作者将“可拉伸电子器件”定义为不仅能承受较大程度的弯曲和扭曲，而且还能承受较高程度拉伸的电子器件。而“柔性电子器件”则是指弯曲/扭曲刚性较低的电子器件，这样的电子器件可以承受较大程度的弯曲和扭曲，而对拉伸性没有具体限制。一般来说，开发柔性可拉伸电子器件有两种不同的途径，包括化学工程途径和结构工程途径，前者致力于提高有机电子材料的电气性能，后者则侧重于创建高性能无机电子材料的新型结构，以实现柔性和可拉伸性。大量文献综述从化学和结构角度探讨了可拉伸和柔性电子器件的不同方面。在此，本综述侧重于通过结构工程实现柔性/可拉伸电子器件。
结构工程柔性/可拉伸电子器件源于对弹性体基底(即聚二甲基硅氧烷 (PDMS))上自发形成的波浪形金属薄膜的观察。早期的柔性/可拉伸电子元件大多采用波浪形结构和岛桥设计。蛇形设计后来被引入，在不降低功能元件密度的情况下提供了超高的可拉伸性。其他结构设计概念，如螺旋形、螺旋形和分形设计也被提出，以在有限的结构布局空间内实现高水平的可拉伸性。基于这些设计理念，人们制造出了各种平面柔性/可拉伸电子器件，并将其应用于多个领域，如日常医疗保健、机器人、多功能传感器、太阳能电池和生物医学设备等。尽管在赋予电子器件高度可拉伸性和柔性方面取得了重大进展，但这些器件大多仍局限于平面形式，在几何形状和结构功能方面，柔性/可拉伸电子器件与自然物种之间的差距尚未填补。因此，必须开发三维结构的柔性电子器件，使其能够更好地适应形状复杂的生物物体和/或模仿自然物种的三维结构形式，从而实现比平面电子器件更独特的功能。
研究成果
具有合理设计三维几何结构的结构化柔性电子器件已在生物、医学、治疗、传感/成像、能源、机器人和日常医疗保健领域找到了重要应用。机械引导的三维组装方法利用材料和结构的力学原理，将使用成熟半导体技术制造的平面电子器件转化为三维架构的电子器件，是实现此类架构柔性电子器件的可行途径。在此，清华大学张一慧教授课题组全面回顾了用于架构柔性电子器件的机械引导三维装配方法。作者根据机械引导三维组装的基本变形模式(即滚动、折叠、弯曲和屈曲)对主流方法进行了分类和讨论。然后总结了各种三维互联和器件形式，它们与架构柔性电子器件的两个关键组件相对应。随后，重点介绍了结构引起的功能，为柔性电子设备的功能驱动型结构设计提供指导，并对其应用进行了总结。最后，给出了结论和展望，包括实现极端变形和尺寸的途径、反向设计方法和架构三维柔性电子器件的封装策略，以及对未来应用的展望。相关报道以“Mechanically-Guided 3D Assembly for Architected Flexible Electronics”为题发表在Chemical Reviews期刊上。
图文导读
Figure 1. Overview of mechanically-guided 3D assembly methods for architected flexible electronics.
Figure 2. Assembly based on rolling deformations.
Figure 3. Assembly based on folding deformations.
Figure 4. Curving-induced assembly using transfer printing techniques.
Figure 5. Buckling-guided assembly: schematic illustrations， 2D precursor designs， and substrate designs.
Figure 6. Buckling-guided assembly: loading-path-based strategies and schemes for interface control.
Figure 7. Buckling-guided assembly: strategies for freestanding 3D mesostructures.
Figure 8. 3D arc-shaped interconnects.
Figure 9. 3D serpentine interconnects.
Figure 10. 3D helical interconnects.
总结与展望
本综述全面概述了用于架构柔性电子器件的机械引导三维组装领域。与现有的三维组装方法综述不同，本综述围绕该领域的一个独特主题展开——结构诱导功能。作者首先总结了基于不同变形模式的现有机械引导三维组装方法。然后，按照两类不同的关键结构组件对三维柔性电子器件进行剖析，并在第 3节(针对互连)和第4节(针对器件形式分别讨论它们的各种几何形式，随后讨论它们的结构诱导功能 (第 5节)。第6节概括介绍了三维柔性电子器件的各种应用，包括生物器件、生物医学器件、电磁器件、光电器件、能源器件和机器人技术。最后，第 7节给出了结论和展望，探讨了机械引导三维组装方法及其产生的柔性电子器件当前面临的挑战和未来发展方向。
近二十年来，柔性/可拉伸电子学领域发展迅速，在当代社会引起了广泛关注，横跨多个工业和研究领域 (如物联网、日常医疗、机器人、基础生物学、医学、能源、传感器等)。柔性/可拉伸电子学起源于有机电子学和结构工程无机电子学的先驱工作，从不同度很好地诠释了电子设备的未来需求和发展方向。目前已开展了富有成效的研究工作，展示了丰富的三维柔性电子器件、三维曲面功能电路制造协议、可独立器件平台等。在这一充满活力的领域中，三维柔性电子器件是一个核心分支，因为与平面电子器件相比，三维柔性电子器件具有独特的结构诱导功能、更大的设计自由度以及更好地适应或复制形状复杂的生物物体的能力。与平面无机柔性电子器件成熟的制造技术兼容，机械引导的三维组装方法是制造具有精确设计的结构配置和功能的建筑三维柔性电子器件的有力工具。虽然机械引导装配方法(即滚动、折叠、弯曲和屈曲)的主要目标是制造纳米级到毫米级的微型柔性电子器件，但许多实例表明，机械引导装配方法(如滚动、折叠和屈曲)能够在一轮中并行制造多个器件/系统/结构。值得注意的是，为了明确材料-制造-性能-应用之间的关系，本文提供了一个详细的对照表(表2)，总结了各种架构三维柔性器件所使用的组装方法、器件形式、结构引起的功能、与平面器件相比的优越性以及应用尽管取得了上述重大进展，但架构式三维柔性电子学这一新兴领域仍存在大量机遇。
文献链接
Mechanically-Guided 3D Assembly for Architected Flexible Electronics
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00335
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