Science：二维材料电子皮肤
半导体技术情报
2022-02-27
通讯作者：段镶锋(Xiangfeng Duan)，黄昱(Yu Huang)通过构筑为薄片结构，刚性材料能够变得具有柔性，但是这种刚性材料难以很好的进行面内旋转或者扭曲过程，因此由于存在这种缺点，刚性材料难以作为曲面或者活动表面的覆盖物。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋(Xiangfeng Duan)，黄昱(Yu Huang)等通过旋涂半导体纳米片分散液的方式，构筑了10 nm的薄片。其中半导体材料片之间通过van der Waals相互作用堆叠形成，构建的薄层纳米片材料具有机械延展性和可加工性，而且具有渗透性和透气性。由于具有这些优异性能，薄膜材料非常适合用于生物电子薄膜材料，能够作为电子皮肤监测和放大各种生物电信号，比如心电信号和脑电信号。目前物联网、生物电子器件等新技术能够用于监控各种生命体的动态过程、诊断人体疾病、监控人体健康情况，在这些应用中，将电子系统与不规则的柔性物体相连接变得日益重要。一种能够用于该领域过程中的生物电信号系统需要与生物组织结构密切相互作用，以便于各种操作，比如记录生物信号、信号放大、进行电子/化学刺激等。由于这些要求，生物电子器件需要一系列性能，包括电子学、机械力学、延展性、可加工等，能够伴随着微观表面结构的改变而形成自适应性界面结构；此外，材料需要气体/营养物质的渗透性和透气性，便于生命体与环境之间的气体/营养物质相互交换。传统的刚性电子材料难以与柔性生物组织匹配，特别是在导电性、机械力学响应、可渗透性、环境自适应性等方面。刚性无机半导体材料能够制作成超薄膜，但是具有较低的延展性，而且由于其本身具有的结构缺陷，难以与不规则的生物体表面形成共形能力界面结构。目前通过发展褶皱，带扣，波浪形或蛇形结构，能够得到具有变形能力的结构，实现宏观可延展性，但是微观尺度没有变形能力。有机半导体或者复合半导体薄膜能够产生可延展性和变形能力，但是通常具有较低的电子学性能。此外，传统的无机膜材料或者有机薄膜材料机械力学性能较差，通常需要担载于聚合物基底上，而且需要多孔结构实现透气性。聚合物基底通常比较厚（>1 μm），表现非常差的变形能力，难以随着生物体环境产生动态变化。
通过学习生物自组装中一般通过van der Waals相互作用自组装，加州大学洛杉矶分校段镶锋(Xiangfeng Duan)，黄昱(Yu Huang)等报道在二维纳米片通过这种类似生物体van der Waals相互作用，构建了具有优异机械力学性能的无担载基底van der Waals薄膜，其机械力学性能可比拟生物软组织，能够适应生物体的共型透气型膜-组织界面。合成的van der Waals薄膜在其中堆叠的二维纳米片之间形成非成键van der Waals界面，相邻的纳米片之间能够滑移或者旋转，因此实现优异的机械力学柔韧度、延展性、加工性、透气性，这种材料实具有渗透/透气功能的纳米孔。图2. 旋涂MoS2薄膜、气相沉积法构建MoS2薄膜性能表征。
图3. 电子皮肤应用。
这种van der Waals薄膜器件含有堆叠的二维纳米片，二维纳米片之间通过非化学键的van der Waals力进行相互作用，构建的薄膜材料能够进行滑移和旋转机械力学性能，而且能够很好的作用于生物组织，适应生物体的局部表面结构，实现与生物体完美结合形成共形结构，在生物体中提供电子学功能，构建栅极晶体管，能够实现以高保真的方式监控/放大皮肤的电极电势、生理学信号。性能。构建的基于MoS2非基底担载型薄膜展示了线性变化能力的机械力学性能，当拉伸应力达到43 %时的杨氏模量达到47.3 MPa，性能比块体MoS2（200 GPa）提高3个数量级。这种显著降低的模量说明MoS2的变形作用以及晶格扩张转变为MoS2的层间滑移或者旋转。在超过机械力学线性变化的区间，应力仍能够有所增加至62 %，说明层间MoS2的滑移或者旋转达到极限，逐渐开始发生破裂，当拉伸应力达到120 %，导致薄膜的完全破裂。对比发现，作者在本文研究中将旋涂构建的MoS2（VDWTFs）与化学气相沉积法合成的MoS2薄膜（CVDTFs）性能进行机械力学性能对比，由于CVDTFs必须担载于基底上，因此对担载于PDMS上的两种薄膜电阻变化随着应力变化的情况进行表征。结果显示，当应力<2.5 %时，CVDTFs薄膜随着应力增加电阻线性增加，在应力超过2.5 %，电阻变化突然显著提高，说明在应力达到2.5 %，MoS2薄膜就发生碎裂；相比而言，VDWTFs能够在55 %的应力范围内保持缓慢变化的电阻。随后，考察了薄膜的自适应性、润湿性、透气性。将其做成晶体管，验证其能够用于监控人体的生理学电化学信号。作者验证了非担载型二维材料优异的机械力学性能，能构建可延展、自适应、具有共形能力、透气性的薄膜电子材料器件，在二维材料构建的器件中，二维材料通过非化学键的van der Waals相互作用，使得纳米片可以滑移或旋转，而且保持可加工能力。堆叠二维纳米片的薄膜具有透气性纳米孔，能够具有优异的透气性。Zhuocheng Yan, et al, Highly stretchable van der Waals thin films for adaptable and breathable electronic membranes, Science 2022, 375 (6583), 852-859DOI: 10.1126/science.abl8941https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8941
