近年来,可穿戴、柔性电子设备为代表的新型器件的飞速发展,对相应的器件工艺也提出了新的挑战。传统的基于光刻图形化技术和蒸镀技术的金属图形化工艺,在新的应用中面临着诸如设备规模庞大,生产成本偏高,生产环境严苛,图形化技术不兼容,金属和衬底的结合力较弱等问题。为此,着力发展高效节能的新型金属图形化沉积技术,已经成为柔性电子行业发展所面临的一项关键问题。其中,基于离子交换法的原位金属图形化生长技术,作为一种金属由衬底材料内部延展至衬底表面的生长技术,被认为是从根本上解决导电层与柔性衬底之间结合力问题的途径之一。除此之外,这也是一种可在室温下进行低成本的、环保的、全溶液的化学法金属纳米粒子制备技术。然而,到目前为止,关于该技术在可穿戴柔性电子器件领域的实际应用的文献报导仍然十分稀缺。这一方面是因为基于该方法的基本原理尚未得到统一的解释,其金属制备过程的核心规律和特征仍然有待研究。另一方面,使用化学方法在聚酰亚胺衬底上原位制备的金属层的抗化学腐蚀能力较弱。这使得由该方法制备的金属电极难以直接应用于化学溶液体系的电子器件中,尤其是同时需要高机械稳定性和高化学稳定性的柔性超级电容器领域。基于此,本文研究了基于聚酰亚胺表面修饰和离子交换法的原位金属图形化生长机理,探索了不同途径制备金属电极的生长条件,优化了现有的环保型原位金属制备技术。结合传统的光刻图形化技术和新型的图形化技术,制备并研究了包括形变传感器、柔性温度传感器、柔性加热器和柔性超级电容器在内的柔性电子器件的实际性能。论文的创新点和研究结果如下:1.给出了气相副产物引导的金属纳粒子薄膜成膜机理。并以所制备的金属纳米粒子薄膜的导电性为着眼点,总结出了离子交换法原位金属生长的基本规律。研究结果表明,离子交换法所制备的金属纳米粒子薄膜的导电性主要受到聚酰亚酸层的厚度、金属离子源浓度、离子交换时间、还原剂浓度和还原时间的影响。离子交换过程决定了所制备的金属纳米粒子总量,可以通过调控与之相关的因素来控制金属纳米粒子薄膜的导电性。而还原过程则决定了所制备的金属纳米粒子薄膜的表面形貌。尤其对于具有气相副产物的还原过程而言,通过选择还原剂的种类可以获得多样化的功能性纳米粒子薄膜,进而制备出具有不同功能的柔性电子器件。2.结合ICM打印掩模法与环保型无电镀镍技术制备出了具有高热稳定性和高柔性的图形化无电镀金属电极。本文充分的发挥了Ni种子层的高催化活性,通过减少离子交换时间的方式优化了现有的环保型无电镀技术。进而结合具有大批量制造能力的ICM打印掩模法制备出了高热稳定性的金属加热器和高柔性的超级电容器集流体。所制备的无电镀金属加热器可以在7 V的工作电压下,达到超过230℃的稳定加热温度。而基于所制备的无电镀集流体的超级电容器可以在承受上万次的弯曲而电容值不衰减。3.通过引入石墨烯防腐蚀技术,极大的提升了无电镀镍电极的化学稳定性,并制备出了具有高机械稳定性和高化学稳定性的rGO超级电容器,从而解决了无电镀镍金属电极难以应用于电化学领域的问题。研究结果表明,本文所使用的rGO纳米片在作为rGO超级电容器的活性材料的同时,也实现了对所使用的无电镀镍集流体的抗腐蚀防护作用。所制备的rGO超级电容器具有超高的化学稳定性,在经过13 000次的CV循环后依旧保持着96.7%的电容值。4.利用无电镀金属层的特点,结合硬质掩模压印工艺,开发了基于界面仿生结构的高性能柔性微型超级电容器。由于无电镀金属具有较高的延展性,可以通过硬质掩模压印的方式,在无电镀金属表面制备出3D的微纳结构。本文通过该方法在超级电容器的无电镀集流体/活性材料界面之间引入了双重仿生结构。所制备的具有仿生结构界面的超级电容器的机械性能和电化学性能都得到了优化。尤其是,双层仿生结构的界面调控作用使得水系对称超级电容器的电势窗口提从1.2 V提高到了1.6 V。这极大的增加了所制备的水系对称超级电容器的能量密度。5.发展了基于纤维素衬底的吸附沉积法Ni种子层制备技术。将环保型的无电镀金属图形化技术转移至纸基衬底上,并制备出了具有高电导能力、高柔性金属化纸电极和高化学稳定性的纸基超级电容器。基于聚酰亚胺衬底的离子交换法原位金属制备技术的核心在于表面改性后的PI衬底是可以容纳大量金属离子的离子载体。研究表明,具有多孔特性和亲水特性的纤维素纸也可以作为金属离子的载体。因而可以采用与离子交换法相同的处理模式,在纤维素纸衬底上制备环保型的无电镀金属层。本文通过基于纤维素衬底的吸附沉积原理,在多种的纤维素纸基衬底上制备出了具有高无电镀活性的Ni种子层,进而制备出了高性能的纸基无电镀金属电极。除此之外,还结合了ICM打印掩模法,解决了大规模制备纸基图形化金属电极的问题,并制备出了高化学稳定性的纸基超级电容器。