2.4.2 纸质衬底
由纳米纤维素制备的新型纸张（纳米纸），密度介于0.8～1.5g/cm3之间，具有优异的柔韧性、纳米级的表面粗糙度、良好的热稳定性、可调控的透明度、较高的抗张强度及良好的阻挡性等特点。这些优异的性能使得纳米纸有望成为下一代绿色柔性电子器件的衬底。纳米纸由纳米纤维素（Nanofibrilated Cellulose，NFC）、纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystals，CNC）或细菌纤维素等制备而成。
1.纳米纸衬底的力学性能
单根纤维素纳米纤维的抗张强度为7.5～7.7GPa，远高于常见钢材的抗张强度。纳米纸是一种由纳米纤维素通过随机交错排列而形成的层状多孔性材料，这种结构赋予纳米纸优异的柔韧性和机械强度，而良好的机械强度是保证电子器件顺利构建及其后续使用的基础。纳米纸的力学性能主要是指抗张强度和杨氏模量。纳米纸的抗张强度远高于 PET 和再生纤维素薄膜。随着纳米纸内部孔隙率的上升，抗张强度表现出下降的趋势。此外，环境湿度对纳米纸的抗张强度性能有较大影响，纸张水分含量和内部孔隙率的上升，都会导致纳米纤维间氢键的减弱及断裂，从而导致杨氏模量和抗张强度的下降。
2.纳米纸衬底的热学性能
热分解温度和热膨胀系数是评价衬底热稳定性的两个重要参数。天然纤维素开始大量分解的温度大于300℃，纳米纸的热分解温度在很大程度上受纳米纤维素的制备工艺影响。由碱处理的纳米纤维素制备的纳米纸的热分解温度略低于天然纤维素，约为299.5℃。纳米纤维素结晶区在径向方向的热膨胀系数为0.1×10-6/K，远低于塑料、大多数金属和陶瓷。因此，由纳米纤维素制备的纳米纸具有优异的热膨胀系数，其数值一般不超过8.5×10-6/K，小于塑料的热膨胀系数（20×10-6/K～50×10-6/K）。相比于PET和再生纤维素薄膜，纳米纸具有更低的热膨胀系数和更高的杨氏模量，这使得纳米纸具有替代塑料用于制作柔性电子器件的潜力。
3.纳米纸衬底的光学性能
对于适用于柔性电子器件的纳米纸衬底而言，透光率和雾度是评价其光学性能的主要指标。Zhu等通过数学建模研究了纳米纤维素的直径和纳米纸的致密度对光散射作用的影响，其中所有纸的厚度为40μm。研究发现，随纳米纤维素直径的减小，它对光的散射作用随之减弱，纳米纸的透光率提高，雾度下降。由直径为50nm和10nm的纳米纤维素制备的纳米纸的透光率相近，均达到92%～93%，但是雾度相差较大，分别为49%和20%（50nm），如图2-24所示，这表明纳米纸的雾度受纤维素直径的影响更为显著。此外，致密度的增加使纳米纸的内部孔隙率下降，光散射作用减弱，纳米纸的透光率提高，雾度下降。
图2-24 直径分别为50nm（a）和10nm（b）的纳米纤维素制备的纳米纸透光率及纳米纸和普通纸的雾度变化（c）
因此，通过改变纳米纤维素的直径和纳米纸的致密度，可实现纳米纸雾度的可控调节，从而满足不同电子器件的要求。例如，高雾度的纳米纸可用于提高薄膜太阳能电池的光电转化效率；中雾度的纳米纸可提供户外显示屏防炫光性；雾度小于 1%的纳米纸适用于室内显示屏，可以保证图像优异的显示质量。
4.纳米纸衬底的应用
纳米纸衬底因其独特优异的性能有望成为下一代绿色、柔性、轻质、低成本的柔性衬底，被广泛应用于柔性电子器件的研究，如柔性电路、天线、太阳能电池、柔性存储器和超级电容器等。
Huang等率先在纳米纸衬底上制备了透明有机薄膜晶体管，但是其性能较差，难以满足晶体管实际应用的要求。Fujisaki等报道了具有优异性能的纳米纸基有机薄膜晶体管，其结构如图2-25（a）所示。以钼为栅极，以金为源/漏极，以含氟聚合物层为栅极介电层，以可溶性小分子有机半导体为有源层，纳米纸基有机薄膜晶体管的迁移率达到1cm2·V-1·s-1，开关比为106～108。Gaspar等以半导体氧化物GIZO（Ga2O3/In2O3/ZnO）为有源层，以纳米纸为衬底和栅极介电层，以铝为源/漏极，制备了纳米纸基透明场效应晶体管，其迁移率超过7cm2·V-1·s-1，开关比超过105，亚阈值摆幅为2.11V/dec。上述基于纳米纸衬底的晶体管需要经过热处理（处理温度为 100～200℃，处理时间为 30～60min）才能获得满意的器件性能。为简化制备工艺，Bao等采用二维材料为有源层构建纳米纸晶体管，以金为栅极、源/漏极，以氧化铝为栅极介电层，以二硫化钼为有源层，通过蒸镀和机械剥离在纳米纸上常温制备场发射晶体管，其开关比达到105。Ning等设计了一种双层结构（IGZO/Al2O3）的有源层，如图2-25（b）所示，成功实现了常温制备高性能纳米纸TFT，避免了后续热处理工艺。
图2-25 纳米纸衬底TFT结构示意图
2009年，Okahisa等在纤维素纳米纤维增强的透明树脂薄膜上，通过沉积电致发光层制备了纳米纸基OLED，如图2-26所示。Zhu等报道了纳米纸基OLED，从底部到顶部分别是20nm钙电子注入层、发光聚芴层、10nm氧化钼层及30nm的PEDOT：PSS空穴注入层。纳米纸基OLED具有优异的柔韧性，弯曲后其性能只出现轻微的下降。Najafabadi等以沉积在400nmα-NPD层上的Al/LiF为底部阴极，以Au/MoO3为顶部阳极，制造出了CNC纳米纸基磷光OLED。
纳米纸衬底作为一种天然、透明、柔性、可降解、可再生及轻质高强的新型衬底，具有优异的力学性能、光学性能和热稳定性，可用于制备薄膜晶体管、发光二极管、太阳能电池等电子器件，展现了在柔性电子器件领域光明的应用前景。但是，我国关于纳米纸衬底及其电子器件应用的研究还处于实验室阶段，要实现基于纳米纸衬底的柔性电子器件的商业化应用，必须在纳米纸的高效率制备、性能调控和优化、器件制备方法和工艺、器件性能提升及其稳定性等方面获得实质性突破。
图2-26 纳米纸基OLED