鲍哲楠Science：纳米限域助力可穿戴电子器件！

可穿戴电子器件是科幻小说中未来科技产物的代表。多年研究发现，电子器件随着人体运动而发生变形，这就要求可穿戴电子器件同时具有优异的力学性能和电学性能。

 

电子器件中大部分半导体材料都是基于Si，这种刚性材料在弯曲时很容易就折断了。虽然通过精确控制三维形状可提高Si电子器件的柔性，有可能实现可穿戴。但是，高昂的成本使得柔性可穿戴Si电子器件难以最终实现商业化。

 

图1. Kirigami方法增强可拉伸性

A kirigami approach to engineering elasticity in nanocomposites through patterned defects. Nature Materials 2015, 14, 785-789.

 

以共轭聚合物为代表的有机半导体，则为可拉伸电子器件的发展带来了光明。这些共轭高分子由相同重复单元通过单双键交替形成的长链组成，离域的π电子确保其导电性。虽然已经可以制备出和Si的导电性相当的共轭聚合物，但是在器件层面，导电性还是会有所下降。

 

如何在器件层面实现高度可拉伸性和高导电性是可穿戴电子器件面临的一个主要问题。

 

有鉴于此，Xu等人报道了一种对半导体聚合物进行纳米限域的方法，利用纳米尺寸效应和界面效应使导电高分子在器件层面的力学性能和导电性同时得到增强。

 

 

图2. 纳米限域晶体管示意图

 

研究人员通过相分离的方法将纳米纤维状的导电高分子限域包裹于纳米尺度的三维高弹性橡胶基质中。纳米纤维由于团聚形成的相互连接，具有良好的导电性。同时，纳米纤维和变形橡胶之间的界面作用避免了裂缝蔓延。

 

研究表明，纳米限域效应起到增强分子动力学、抑制结晶的作用。纳米尺寸效应和界面效应力学性能和导电性同时得到增强，制成的柔性电子器件在双轴拉伸度100%的情况下仍然具有和非晶硅相当的导电性。基于以上发现，研究人员制备了一种仿皮肤的手指可穿戴电子器件模型，

 

利用基础研究对纳米限域效应的认识，解决了柔性电子器件中力学性能和电学性能的平衡问题，并将对电子皮肤的进一步发展提供借鉴。不管是这种研究方法，还是这项重量级成果，都是值得学习的！

 

 

图3. 全拉伸晶体管性能测试

 

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Jie Xu, Sihong Wang, Jong Won Chung, Zhenan Bao et al. Highly stretchable polymer semiconductor films through the nanoconfinement effect. Science 2017, 355, 59-64.