山西
图1. 全橡胶肖特基二极管图2. 全橡胶整流器图3. 橡胶逻辑门图4. 全橡胶多路复用触觉传感器阵列图5. 全橡胶电源管理系统
为应对健康管理、机器人等领域的新挑战，迫切需要开发能够随曲面和运动物体产生适形机械形变的电子器件，这对开发全橡胶可拉伸电子器件提出了要求。其中，二极管具有整流特性，是集成电子系统中不可或缺的两端电子元件。可拉伸二极管作为可拉伸电子系统的重要组成部分，在能源、生物医学、集成电路和机器人研究领域具有重要应用。然而，开发可拉伸二极管，特别是基于可拉伸材料的二极管的研究还处于起步阶段。现有的二极管通常由不可拉伸的半导体和金属构成，因此它们或在物理上不可拉伸，或需要特定的工艺实现宏观可拉伸。开发可拉伸二极管及其集成电子器件的主要挑战在于从可拉伸的导体和半导体电子材料中寻求如何实现欧姆接触或肖特基势垒的结构。
针对上述问题，美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组近期以“Fully Rubbery Schottky Diode and Integrated Devices”为题在 Science Advances 上报道了一种全部基于可拉伸电子材料的全橡胶肖特基二极管。由于橡胶二极管在机械应变下具有稳定的整流特性，即使在30%的单轴拉伸机械应变下，基于橡胶肖特基二极管制备的可拉伸整流器和逻辑门的电学性能也非常稳定。文中展示了包括可拉伸的多路复用器和电源管理系统的全橡胶集成器件。一个基于橡胶肖特基二极管的8×8阵列的多路复用触觉传感器可以在拉伸30%时进行压力信号的测绘。此外，文中还展示了一个由弹性摩擦纳米发电机，基于橡胶二极管的全波桥式整流器和一个电容器组成的全橡胶电源管理系统，该系统可作为依靠器官运动产生能量的自供能生物集成电源。
由于金属和半导体之间存在肖特基势垒，肖特基二极管具有整流特性。全橡胶肖特基二极管由全部可拉伸的电子材料构成，包括一个液态金属负极、一个橡胶半导体和一个可拉伸正极。在30%的机械应变下，橡胶二极管仍展现出整流特性。
交流-直流电压转换器，如基于二极管的半波和全波桥式整流器，是能量收集和无线能量传输的基本电路。基于橡胶二极管的半波和全波桥式整流器在应变下表现出稳定的整流特性。
能够实现布尔运算的逻辑门是数字电路的基本构件。基于全橡胶二极管构筑的或门和与门的逻辑功能表现为四个不同的输出水平，分别对应（0,0）、（1,0）、（0,1）和（1,1）状态。这些结果验证了在30%的机械应变下全橡胶逻辑门仍能展示正常的逻辑功能。
二极管作为有源多路复用单元，由于具有整流特性，可以在阵列触觉传感测绘过程中抑制交叉串扰效应。文中展示了基于橡胶肖特基二极管的8×8阵列的多路复用触觉传感器，可用于可穿戴传感器、电子皮肤和软机器人等各种新兴应用。
文中展示了一个全橡胶材料制成的电源管理系统。该系统由弹性摩擦纳米发电机，基于橡胶二极管的全波桥式整流器和一个电容器组成。为证明其可作为能发生柔性形变的可植于能量收集器，研究人员将该系统放置在模仿心脏节律性收缩的猪心脏上，并能将能量储存在该系统中。实验表明，全橡胶的电源管理系统可用于为心脏起搏器等医疗设备提供能量。
在这项工作中，由于使用完全可拉伸材料（包括两种金属、半导体和衬底）构建肖特基二极管，展示了简单可行的实现可拉伸二极管和集成电子器件的工艺途径，避免了使用传统刚性、不可拉伸电子材料时需要的特殊架构。橡胶二极管较高的整流比和在高应变下的稳定性能表明其可应用于各种集成系统，如阵列式橡胶触觉传感器和心外膜能量收集器。橡胶二极管及其集成电子器件和系统有望应用于生物电子、智能皮肤、软体机器人等多种领域。该文章的通讯作者为宾夕法尼亚州立大学的余存江教授，文章的第一作者是余教授课题组的博士生Seonmin Jang和博士后Hyunseok Shim。
文章信息：
Seonmin Jang, Hyunseok Shim, and Cunjiang Yu, Fully rubbery Schottky diode and integrated devices, Science Advances, 8, eade4284, 2022.
http://doi.org/10.1126/sciadv.ade4284
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