鲍哲楠Nature：皮肤式可穿戴电子器件时代来临！

生物组织一般由能够自修复和可拉伸的物质组成，而电子器件往往由硬质材料制得。开发新材料，不断缩小生物世界和电子世界的鸿沟，得到柔性可穿戴、自修复的电子器件，是科学家孜孜以求的目标。

 

可拉伸薄膜场效应晶体管是制备可穿戴电子器件必不可少的元件，目前，可拉伸薄膜场效应晶体管的制备方法大致可分为以下3大类：

 

1. 将刚性的半导体置于小的柔性“岛状”结构上，包埋或者置于橡胶等高弹性的材料上，通过可拉伸的线连接。这种方法可将高性能的微电子器件直接集成到可拉伸材料中。

 

 

图1. “岛状”可拉伸晶体管

参考文献：S. P. Lacour, Z. Suo et al. Stretchable Interconnects for Elastic Electronic Surfaces. Proc. IEEE 2005, 93, 1459–1467.

 

2. 用含有柔性的有机或无机电子元件的箔片压印于预拉伸的橡胶上，当橡胶松弛，覆盖部分起皱，并允许器件沿着预拉伸的方向进行再次拉伸。

 

 

图2. “褶皱型”可拉伸晶体管

参考文献：Martin Kaltenbrunner, Takao Someya et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature 2013, 499, 458–463.

 

3. 利用分子尺度的可拉伸性，在橡胶中引入导体或者半导体纳米管或纳米线构建的可渗透的网状结构，或者将柔性材料引入硬质半导体化聚合物而不改变其电荷传递路径。

 

 

图3. 本征可拉伸聚合物半导体晶体管

参考文献：Brendan O'Connor, Dean M. DeLongchamp et al. Anisotropic Structure and Charge Transport in Highly Strain-Aligned Regioregular Poly(3-hexylthiophene). Adv. Fun. Mater. 2011, 21, 3697-3705.

 

前2种方法主要是致力于橡胶等柔性基底的可拉伸性和刚性导体/半导体的电学性能的兼容性，让刚性电学材料在橡胶等弹性体上实现弯曲和拉伸行为。而第3种方法，则是基于半导体本征分子可拉伸性构建晶体管，该方法不仅有利于实现更大程度和多种模式的柔性和可穿戴性，而且更容易通过标准制程来制备可拉伸晶体管。

 

有鉴于此，斯坦福大学鲍哲楠课题组利用非共价连接机理，开发了一种晶态和非晶态共存的半导体化聚合物薄膜和自修复和可拉伸的有机半导体晶体管，为柔性可穿戴电子器件带来了新的福音！

 

 

 

图4. 自修复可拉伸有机薄膜场效应晶体管示意图

 

 

图5. 自修复可拉伸有机薄膜场效应晶体管制备与自修复

 

考虑到氢键很容易断裂，并容易通过加热或者溶剂湿气重新形成，研究人员在PDCA（2,6-pyridine dicarboxamide）柔性骨架中引入氢键，不仅使材料高度可拉伸，而且确保高效的电荷传递。1）通过改变半导体化聚合物的分子结构，引入晶态组分，用于增强电荷传递；2）非晶态部分通过氢键交联，承受拉伸应力，而不改变电学特性。

 

据报道，这种聚合物薄膜缝隙可承受严重的拉伸行为，并通过溶剂蒸汽或者加热实现自修复，恢复到原始的形态和电学性能，场效应迁移性能>1 cm² V^-1 s^-1。

 

Oh等人正式按照第3类方法，利用晶态非晶态混合的聚合物半导体化制备得到可拉伸的晶体管，迁移率高达1.3 cm² V^-1 s^-1，开关电流比高达百万以上。按照实际应用中的常规强度，进行500次循环拉伸实验，仍然可以维持晶体管的电学性能。将晶体管安装在人体手臂上，经过各种常规运动，仍然可以维持较高的电荷-载流子迁移率。

 

图6. 可拉伸有机晶体管

 

值得注意的是，这项研究成果还有以下价格地方需要进一步优化：

1）晶体管的可拉伸性和持久性不如岛状或者褶皱状柔性器件。

2）晶体管需要较高的操作电压，不适合人体接触。如何减小晶体管的尺寸，尤其是控制电极和晶体管半导体之间绝缘层的厚度的减小，是降低操作电压的关键。

3）用于自修复的溶剂蒸汽会影响人体穿戴。

 

本文主要参考以下资料，图片仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究，不得作为商业用途。如有任何版权问题，请随时与我们联系！

1. Jin Young Oh, Zhenan Bao et al. Intrinsically stretchable and healable semiconducting polymer for organic transistors. Nature 539, 411–415.

2. Siegfried Bauer and Martin Kaltenbrunner. Materials science: Semiconductors that stretch and heal. Nature 539, 365–367.