使用III族氮化物半导体推进柔性光电学：从材料到应用

随你弯曲的电子设备

想象一下像纸一样可以卷起的手机屏幕、帮助医生治疗大脑的薄如绷带的光源，或是悄无声息记录你每日日照量的皮肤贴片。本文综述探讨了一类称为III族氮化物半导体的特殊材料，如何使这类可弯曲且耐用的光学装置在日常生活中变得可行，从可穿戴设备到医用植入物。

为何需要新材料

当今的柔性电子多依赖有机（基于碳）材料。它们成本低、天然柔软，但老化快、怕潮怕热，并且响应速度不如手机内部的芯片。III族氮化物半导体——如氮化镓（GaN）及相关合金——来自用于明亮蓝光与白光LED的同一材料家族。它们能耐高温、耐化学腐蚀、长期稳定，并在从深紫外到红外的宽广波段内工作。更重要的是，它们对机械应变有强烈响应：弯曲可细微改变电荷传输和发光行为，这为更智能、更敏感的柔性器件打开了可能性。

从硬质晶圆到软性表面

将脆性的晶体变成能包裹手腕或大脑的材料，主要是制造方面的挑战。III族器件通常在厚且刚性的晶圆上生长，例如蓝宝石或硅。文章综述了几种巧妙的方法，将薄而有源的层从这些晶圆上释放并转移到软性塑料、金属甚至水凝胶上。有些方法通过变薄或刻蚀刚性晶圆的背面；另一些在生长过程中引入可化学溶解的“牺牲”层，使薄膜得以浮起。激光技术也可用于精确分离薄膜。一种较新的策略使用原子级薄的“二维”材料如石墨烯作为弱粘结缓冲层。III族层可在其上清晰生长，但之后可以剥离，且下方昂贵的晶圆得以重复使用。这些方法旨在在保持高性能的同时，使生产具备可扩展性并降低成本。

能弯曲且会发光的微小结构

研究者越来越多地将III族材料雕刻成微细的线、棒和柱，而不仅仅依赖平面薄膜。将结构缩小到微米和纳米尺度，使其更易弯曲并能在不破裂的情况下更好地承受应变。它们大的表面积也有助于更高效地吸收和发射光。综述描述了自下而上生长此类结构的方法，例如在金属箔或石墨烯上形成的纳米线“森林”，以及自上而下对现有薄膜蚀刻出图案的方法。这些微型构件随后可以像印章转移墨水一样“印刷”到柔性片材上。结合二维缓冲层，它们为构建高密度、可弯曲的光源与传感器阵列提供了一套工具，能精细控制形状与功能。

新型柔性器件

在材料与工艺就绪后，III族器件正进入真实应用领域。基于GaN的柔性发光二极管（LED）现已形成可在弯曲曲面上保持高亮度与高对比度的微阵列，适合可折叠微显示与超薄照明面板。在医学领域，构建在软性聚合物上的超薄GaN微型LED已被注射或植入动物大脑，用光控制神经元，这一技术称为光遗传学。这些植入物可无线工作数月，表明III族材料既强大又具有生物相容性。在皮肤上，III族紫外（UV）探测器已进入商业产品：如贴片、指甲或耳饰中的微小免电池传感器，可记录UV剂量。其他原型则作为压力敏感发光器或多轴触觉传感器，利用这些晶体对弯曲的响应来“感知”触摸与力。

对未来的意义

文章总结认为，III族氮化物半导体是推动柔性光电学超越当前寿命短、以有机材料为主设备的有力候选者。它们结合了长寿命、坚韧性、生物相容性，以及在单一平台上将光、电与机械应变联系起来的独特能力。与此同时，仍存在重大难题：在反复弯曲下保持精细层完整、提高制造良率与降低成本，以及将感测、处理与通信等多种功能整合到完整的柔性系统中。如果这些挑战得到解决，我们可能会看到新一代可弯曲设备以安全的方式发光、感测并通信，恰好贴合我们身体与建成环境的曲线。

引用: Gao, X., Huang, Y., Wang, R. et al. Advancing flexible optoelectronics with III-nitride semiconductors: from materials to applications. Light Sci Appl 15, 141 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02052-0

关键词: 柔性光电学, 氮化镓, 可穿戴传感器, 微型发光二极管, 光遗传学