Nat. Electron.: 基于微网格结构的橡胶半导体弹性电子器件

开发具有高迁移率的可拉伸橡胶半导体，是发展能与生物组织无缝集成的柔性晶体管及电路的关键挑战。传统的使不可拉伸半导体变得可拉伸的策略主要包括设计面外褶皱、面内弯曲、kirigami等特殊结构，然而半导体并不具备本征可拉伸性。使用在聚合物主链引入柔性基团或在橡胶体中共价嵌入半导体聚合物等分子设计方法可以制备本征可拉伸的半导体，然而该方法需要复杂的有机合成手段。通过混合半导体聚合物和弹性基质可以制备类似橡胶的可拉伸复合材料，然而，这种方法仍只适用于构造特定微观结构。此外，将半导体纳米线或纳米纤维嵌入橡胶基体制备可拉伸复合材料的方法也不具备普适性。

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“Elastic electronics based on micromesh-structured rubbery semiconductor films”为题在Nature Electronics上报道了一种基于横向相分离诱导微网格结构的橡胶半导体薄膜。通过旋涂两种聚合物的共混溶液并实现横向相分离，可以获得具有连续富半导体相和孤立富弹性体相的微网格结构。这种微网格结构橡胶半导体同时具备有效的电荷传输和机械拉伸能力。通过混合不同聚合物，文中实现了p型和n型的橡胶半导体薄膜的制备，并展示在50%的机械应变下，由该薄膜制成的橡胶晶体管、互补反相器和双层异质结光电探测器仍具备稳定性能。此外，研究人员还设计了一个完全由该薄膜制成的晶体管矩阵电子贴片，可用于原位测绘大鼠心脏的生物电信号，展示了该薄膜在柔性可植入电子器件上的潜力。

图1. 制备横向相分离诱导微网格（LPSM）结构的橡胶半导体

通过旋涂P3HT半导体和SEBS弹性体的共混液，借助两组分之间很强的动态不对称性导致的粘弹性相分离（VPS），实现了制备横向相分离诱导的微网格橡胶半导体。光学照片展示了复合聚合物薄膜微网格的形貌取决于P3HT重量百分比。在65 wt% P3HT的复合膜中，得到了微尺寸的网格形貌。独特的网状结构使薄膜具备机械可拉伸性，其中，连续的富P3HT相提供可变形性，孤立的富SEBS相确保薄膜实现可逆的拉伸和释放。

图2. 基于LPSM薄膜的橡胶晶体管

基于P3HT和SEBS共混物的LPSM薄膜被用于制备橡胶晶体管的半导体层，展示了典型的p型半导体特性。制备出的晶体管迁移率为0.90 cm2 V-1 s-1，开关比为2.76×104。文中研究了分别在平行和垂直于沟道长度方向施加不同程度的机械应变时橡胶晶体管的电学性能，展示了即使在50%的机械应变下，橡胶晶体管电学性能仍然稳定。

图3. 基于LPSM薄膜的橡胶晶体管阵列和反相器

为证明器件性能的一致性，研究人员制备了基于LPSM薄膜的橡胶晶体管阵列，晶体管阵列可拉伸、扭曲或与曲面贴合，展示了一致的迁移率性能。研究人员还制备了由p型驱动晶体管和p型负载晶体管组成的反相器，即使在50%单轴应变下，仍有正确的逻辑输出，展示了LPSM薄膜在逻辑电路中应用的潜力。

图4. n型和p型LPSM半导体

为证明LPSM工艺具备普适性，研究人员展示了用P3半导体和PU弹性体制备的p型半导体薄膜（LPSM-2），在50%机械应变下仍具有p型晶体管特性。此外，研究人员还利用N2200半导体和PU弹性体制备了n型半导体薄膜（LPSM-3），同样在50%机械应变下具有良好的n型晶体管特性。

图5. 基于n型和p型LPSM半导体的互补反相器及光电探测器

互补反相器是集成电路的基本构件。利用前文制备的p型和n型晶体管构建的互补反相器展示了在平行和垂直沟道方向施加不同程度的应力时正确的高低电平转换的行为。研究人员还展示了以LPSM-2薄膜为给体，LPSM-3薄膜为受体制备的有机双层异质结结构的可拉伸橡胶光电探测器。

图6. 晶体管有源矩阵测绘大鼠心脏电生理信号

研究人员设计了4×4橡胶晶体管有源矩阵，用于测绘大鼠心脏电生理信号，展示了全橡胶电子器件应用于可植入生物心脏健康监测方面的潜力。

在这项工作中，通过横向相分离诱导微网格结构的橡胶半导体薄膜兼具可拉伸性和高迁移率，且工艺简单普适。利用该工艺制备的橡胶半导体薄膜在逻辑电路、光电探测、生物信号传感等方面都展示出应用的潜力，并在50%的机械应变下保持性能稳定。基于这种简单、通用性强的LPSM工艺制备的橡胶半导体有望应用于各种柔性电子和集成电路、生物集成电子、可穿戴电子和柔性机器人等研究领域。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前博士后管英士博士 (现为东南大学教授)，其他作者包括余教授课题组的Faheem Ershad，饶州铝，路运涛，王旭, 普渡大学的梅建国教授, Zhifan Ke博士, 以及美国德州心脏中心的Ernesto Curty da Costa, Qian Xian, Peter Vanderslice, Camila Hochman-Mendez等。

文章链接：

Ying-Shi Guan, Faheem Ershad, Zhoulyu Rao, Zhifan Ke, Ernesto Curty da Costa, Qian Xiang, Yuntao Lu, Xu Wang, Jianguo Mei, Peter Vanderslice, Camila Hochman-Mendez, and Cunjiang Yu*, Elastic electronics based on micromesh-structured rubbery semiconductor films, Nature Electronics, 2022. DOI: 10.1038/s41928-022-00874-z

https://www.nature.com/articles/s41928-022-00874-z