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除玻璃衬底、塑料衬底外，金属箔片（Metal Foil）衬底、纸质衬底、生物复合薄膜衬底等也可以作为柔性显示的衬底材料。
1997 年，普林斯顿大学首先开始研究在金属箔片上制作电子器件，至今已在金属箔片上完成了各式的逻辑IC及CMOS的制造及电路整合研究。里海大学近年来全力发展金属箔片上的TFT 器件性能研究，所得到的器件性能更为优良。金属箔片是用金属延展成的薄金属片，当金属箔片薄至0.1mm以下时，就能表现出优异的柔性。金属箔片衬底与其他衬底的性能比较如表 2-7所示。
表2-7 金属箔片衬底与其他衬底的性能比较
金属箔片作为柔性衬底具有以下优势。
（1）金属箔片的耐高温性能远高于塑料与玻璃，可承受的温度在 1000℃以上，一般的半导体制作过程的温度皆低于此温度，而且其热膨胀系数很低，比聚合物材料更接近玻璃的热膨胀系数，所以采用金属箔片衬底可以有效解决TFT制作工艺中的高温问题。
（2）金属箔片阻水氧特性良好，根本不存在水汽和氧气渗透的问题。鉴于水汽、氧气特别容易引起有机材料劣化导致发光器件性能衰退，所以金属箔片特别适合用作柔性OLED显示的衬底材料。
（3）金属箔片采用不锈钢材料，其耐化学腐蚀性及稳定性比聚合物材料更好，不用担心工艺制程中化学溶剂对柔性衬底的腐蚀，较少出现变形和老化等问题，所以用金属箔片制作的柔性显示器件的使用寿命更长。
（4）聚合物及玻璃都是非导体材料，在卷对卷制作过程中易产生静电效应，而金属箔片不容易产生静电效应，更适合卷对卷制程。
（5）在材料成本方面，目前铝、不锈钢等金属箔片的价格远低于特殊耐高温的塑料材料，价格约为塑料的1/3，材料获取也更容易。
如图2-22所示，金属箔片的表面粗糙度在0.6μm左右，要在这样的表面上制作 TFT 器件几乎不可能。如果金属基板表面粗糙度太高，材料表面高低落差太大，会影响器件的性能，降低其寿命，甚至导致器件制作失败。所以，即使金属箔片有众多优点，但实际应用及发展要比其他的材料都慢。因此，解决金属箔片表面粗糙度的问题，是金属箔片取代聚合物或玻璃衬底制作未来柔性显示的关键因素。
图2-22 金属箔片表面粗糙度
利用金属箔片制作TFT阵列，首先需要对金属基板表面进行抛光处理以降低金属表面的粗糙度，代表表面粗糙度的均方根（RMS）的值可以从几百纳米降低到几纳米，同时金属表面可以形成多势垒结构。降低金属表面的粗糙度不仅可以清洁金属表面，使随后的光刻步骤相对容易，而且形成的多势垒结构可以有效防止金属基板和栅极金属之间寄生电容的产生。在完成金属表面的抛光处理后就可以利用传统的工艺制作TFT阵列，TFT阵列完成之后就可以继续完成柔性显示器件的后续工艺。
一般情况下，用金属箔片作为衬底制作柔性显示器件之前，会先在金属箔片表面镀上一层 SiO x 作为缓冲层，以绝缘金属箔片，覆盖粗糙的表面使其平坦，以及避免金属箔片本身的金属离子向显示器件内部渗透。但是，此方法存在几个缺点：①为了确保缓冲层可以覆盖所有表面的缺陷，缓冲层厚度要达到约5μm，这会大大增加制作过程的时间及成本；②SiO x 缓冲层镀得越厚，显示器件的可弯曲特性越差；③金属材料表面的平坦度不够，仍存在凸起，可能会影响显示器件的光电特性。
为了降低金属箔片的表面粗糙度，通常采用传统的机械研磨抛光技术。以不锈钢薄板材料为例，经过机械研磨抛光后表面粗糙度至少降至0.02μm以下才能作为柔性衬底，否则过高的粗糙度可能会影响器件的性能及产品的合格率，如图2-23所示。但采用传统机械研磨抛光对超薄金属材料进行抛光会出现易皱折的问题，而且对大面积的金属箔片表面抛光存在时间久、均匀度难以控制的问题。
图2-23 抛光前后金属箔片表面3D形貌
电化学抛光（Electro Chemical Polishing，ECP）技术可以避免机械研磨抛光的这些缺点。ECP是指在合适的电解液中以要抛光的金属为阳极，利用金属表面凸起处的尖端放电作用使得凸起处金属的溶解速度快于凹陷处的特点，经过一段时间的处理使得金属表面的粗糙度得以改善。ECP 技术是无应力的抛光，理论上可以处理超薄大面积的金属材料而不会产生应力残留及皱折的问题。经过ECP处理的超薄金属材料表面粗糙度小于0.02μm，且均匀度很高，可以达到目前LCD所使用的玻璃基片的粗糙度规格。同时光滑的金属材料表面可以降低缓冲层的厚度，理论上可以小于 1μm。ECP 技术还可以对不锈钢材料产生表面钝化的作用，使其耐化学侵蚀的性能更好，这是一般机械研磨抛光无法比拟的。
UDC与E-Ink公司已采用金属薄片分别作为OLED和电泳式电子纸的背板。为避免生锈，通常选择不锈钢作为金属箔片，此外金属箔片表面仍需要覆盖绝缘层以避免短路。虽然金属箔片比超薄玻璃有更大的弹性，但仍不适合制作动态弯曲或卷曲的应用。
由纳米纤维素制备的新型纸张（纳米纸），密度介于0.8～1.5g/cm 3 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1cm 2 ·V -1 ·s -1 ，开关比为10 6 ～10 8 。Gaspar等以半导体氧化物GIZO（Ga 2 O 3 /In 2 O 3 /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7cm 2 ·V -1 ·s -1 ，开关比超过10 5 ，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10 5 。Ning等设计了一种双层结构（IGZO/Al 2 O 3 ）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/MoO 3 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
目前，针对个性化移动设备、人机界面单元、可穿戴医疗保健系统和仿生智能机器人的柔性电子产品需求巨大，而且在不断增长。基于纤维素的生物复合薄膜衬底，具有成本低、可再生、易加工、可化学改性、可生物降解等优点，并具有良好的机械性能、介电性、压电性等。纤维素具有多种优点，常被用作柔性电子器件的基材、黏合剂、介电层、凝胶电解质和衍生电极材料等。
1.生物复合薄膜衬底的性能
生物复合薄膜衬底主要基于纤维素纳米纤维进行物理、化学特性改良，使其满足特定使用需求。纤维素纳米纤维可以通过植物或细菌产生，具有出色的机械和热学性能，是地球上最丰富的全绿色资源之一。纤维素纳米纤维具有比凯夫拉材料和钢更高的强度和弹性模量，并且具有比石英玻璃更低的热膨胀系数。
中国科学技术大学利用生物基纤维素纳米纤维成功开发了宏观结构材料，称为纤维素纳米纤维板，其具有很高的强度质量比，比钢高四倍，也比传统塑料和铝合金高，密度仅为铝合金的一半，同时韧性更好。纤维素纳米纤维板具有极好的耐极端温度和热冲击的性能，远高于塑料或其他聚合物材料。在-120～150℃之间，纤维素纳米纤维板的热膨胀系数接近陶瓷材料，远低于典型的聚合物和金属，如图 2-27 所示。在 120℃的烤箱和-196℃的液氮之间进行10次快速热冲击后，纤维素纳米纤维板仍能保持其强度。出色的热尺寸稳定性，使得纤维素纳米纤维板在极端温度及冷热交替条件下具有用作结构材料的巨大潜力。
2.生物复合薄膜衬底的应用
基于纤维素纳米纤维的生物复合薄膜衬底，具有许多优点，包括低成本、机械柔韧性、可加工性、生物相容性、可编程/可控生物降解性和多种电气性能。如图2-28所示，生物复合薄膜衬底广泛应用于柔性透明显示、有机超级电容器、薄膜晶体管、柔性电路、智能传感器、OLED显示、有机OTFT、便携式太阳能电池、射频器件、仿生电子皮肤等，对柔性电子的发展起到了巨大的推动作用。
图2-27 强度热膨胀比和耐冲击强度热膨胀比
图2-28 纤维素基柔性和便携式先进电子器件的发展路线导图
C.Legnani等用革兰氏阴性的醋酸菌（木糖醋酸杆菌）生产的细菌纤维素（BC）膜作为柔性材料用于制造有机发光二极管（OLED）的衬底，在细菌纤维素膜表面依次沉积SiO 2 缓冲层和ITO导电层，并以此为衬底制作出了柔性OLED。结果表明，可降解、生物相容性好的细菌纤维素膜可以成功地用于柔性有机光电器件的衬底。S.Ummartyotina等利用细菌纤维素和聚氨基甲酸乙酯基树脂制备了纳米复合薄膜，并将其用作柔性 OLED 的衬底。该纳米复合材料的性能满足柔性OLED衬底的要求，其可见光透光率高达80%，热稳定温度可达150℃，而其热膨胀系数（CTE）小于20ppm/K。在该衬底上通过蒸镀技术制备的OLED，在亮度为200cd/m 2 的条件下，电流效率最高为0.085cd/A，功率效率为 0.021lm/W。P.Pinto 等以细菌纤维素和蓖麻油基聚氨酯为原料制备了新型BC/PU复合材料。新型BC/PU复合材料在可见光区域，透光率高达90%，机械抗拉强度高达69 MPa，杨氏模量高达6 GPa，表面粗糙度小于1nm。
与合成聚合物材料相比，纤维素材料具有完全生物降解性、低成本和纳米效应的优点，用于OTFT的柔性基材或介电层具有很大优势。Fujisaki等在透明的纤维素纳米纸衬底上，采用光刻和湿法工艺制备了OTFT阵列。纤维素纳米纸具有高效的纳米通道和低热膨胀系数（5 -10 ppm/K），OTFT器件空穴迁移率为1cm 2 ·V -1 ·s -1 ，开态电流大于10 -5 A，在大气环境中开关比在10 6 ～10 8 之间。
柔性传感器在人类健康监测、人机交互和可穿戴设备等方面的应用备受关注。根据不同的操作模式，柔性传感器分为压力-应变传感器、离子-电子传感器和化学耦合传感器。与合成聚合物材料不同，纤维素材料具有生物相容性，可再生，从而增加了可穿戴传感器的可回收性，更加环保。由于表皮神经元间快速的离子转运，人体皮肤对温度、湿度、振动和触觉具有敏锐的感知能力。除柔性传感器等外部应变和刺激传感器外，一些基于纤维素的仿生电子皮肤在医疗保健方面也显示出了非常有前景的应用。仿生电子皮肤具有出色的柔韧性，可以轻松地附着在手腕上或从手腕上取下。仿生电子皮肤感应到的平静、深沉和急促的呼吸分别对应于安静、紧张和不舒适的人类状态。