鲍哲南团队最新《Nature Electronics》！

【大拉伸，低性能】

完全由本征可拉伸材料制造的电子器件具有类似人类组织的机械性能，可与人体皮肤无缝集成。与基于刚性部件、通过几何设计的可拉伸电子器件相比，本征可拉伸电子器件具有高器件密度、良好的机械稳定性和顺应性等优点。然而，基于聚合物的本征可拉伸电子器件在设计时并未考虑到应变工程。因此，施加的应变几乎均匀地分布在整个电子器件上。不可避免地改变了器件的几何形状，有可能会导致器件性能的显著下降，大大限制了其在人类生理信号监测的等方面的应用。

【含量不同，拉伸不同】

近日，斯坦福大学鲍哲南课题组与芝加哥大学王思泓课题组合作，通过采用全弹性体应变工程策略，构筑了对应变不敏感的本征可拉伸的晶体管阵列，并将具有可调刚度的图案化弹性体层合并到晶体管结构中。通过改变弹性体的交联密度，增强了局部区域的刚度（称之为elastiff layer），从而减小了器件有源区的应变。这种方法与现有的制备工艺兼容，构筑出的阵列，器件密度高达340个晶体管每平方厘米，且在100％的拉伸应变下，应变不敏感度小于5％。研究人员进一步制造了多种对应变不敏感的电路元件，包括与非门，环形振荡器和高增益放大器，以稳定地监测电生理信号。该研究以“Strain-insensitive intrinsically stretchable transistors and circuits”发表在最新一期的《 Nature Electronics》上。

elastiff layer的材质需要具备以下三个特征：（1）高度可拉伸（>50%）；（2）杨氏模量远大于基底；（3）与基底附着力强，能承受界面上大量面内应变差所产生的大剪应力。基于此，研究人员选择了苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（styrene-ethylene-butylene-styrene，SEBS）作为弹性基底，并通过改变作为物理交联区的聚苯乙烯的比例来实现基底与elastiff layer的模量差异。即elastiff layer（较硬的SEBS，聚苯乙烯含量为67 vol%），基底（较软的SEBS，聚苯乙烯含量为12 vol%），获得了32倍的模量差异。这种设计使得应变主要发生在器件之间的低模量间隙中，实现了整个器件在经历100%的应变时，晶体管器件上的应变仅为10%。且拉伸状态下没有出现分层或起皱现象，保证了即使在运动状态下，器件也能够与人体良好的贴合。

图1 应变不敏感本征可拉伸晶体管阵列

随后，研究人员对采用elastiff layer与未采用elastiff layer的晶体管阵列在拉伸性的电性能进行了研究。结果显示，未采用elastiff layer的晶体管阵列在横向和纵向拉伸下，转移曲线、ON态电流和迁移率都出现了显著波动。而采用了elastiff layer的晶体管阵列则保持了较好的稳定性，且能承受最大400%的拉伸。即使是在100%的拉伸应变下进行1000次的循环，器件仍能保持原始性能。

图2 晶体管阵列拉伸状态下的电性能

【按需定制】

与传统电子器件不同，本征可拉伸电子器件需要根据实际需求在器件功能和机械稳定性之间平衡。通过采用上述这种应变分布模式设计，研究人员可以根据特定应用需求在两个性能指标之间找到最佳平衡。在133、91和51个晶体管每平方厘米的密度下，通过增加每个器件之间的空间比例实现了器件所受应变的减小。这意味着可以通过降低器件密度来提高电子性能的机械稳定性。此外，还可以改变elastiff layer的厚度和模量，来改变其刚度，以满足对器件功能和稳定性都严格要求的应用。如将elastiff layer的厚度从25增加到50 μm，可以使得器件承受的应力减少近4倍。

图3 可调节的机械稳定性与器件密度

【不放过微弱信号】

最后，研究人员基于这种应变不敏感的晶体管阵列构筑了可用于定量信号处理的集成电路，包括与非门、环形振荡器、放大器。构筑出的器件在100%的拉伸下仍然能够保持稳定的操作特性。人体肌电图信号显示，在没有放大器的情况下，肌肉收缩过程中产生的肌电信号被背景噪声掩盖。而将可拉伸放大器与人体肱二头肌贴合后，可以观察到明显的肌电信号，其振幅大约是原来的7倍。将两个放大器串联更是可以提供大于120的总增益。这种高水平的增益降低了所需的最小数字分辨率，使模拟信号处理和数字计算在同一个本征可扩展的系统中相结合，极为有利于模拟信号到数字信号的转换。

图4 人体电生理信号监测

总结：作者通过采用全弹性体应变工程策略，将具有可调刚度的图案化elastiff layer合并到晶体管结构中，从而减小了器件有源区的应变，构筑了应变不敏感的可拉伸晶体管阵列。并进一步制造了多种对应变不敏感的电路元件，包括与非门，环形振荡器和高增益放大器，实现了监对微弱电生理信号的监测。

来源：高分子科学前沿

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