基于三明治结构的可拉伸N型半导体及其集成电子器件

近年来随着材料科学和电子技术的发展，可拉伸弹性电子器件受到了广泛的关注。相比于传统的电子器件，拉伸弹性电子具有良好的柔韧性和可伸缩性，可以在被拉伸、弯曲、压缩等情况下保持其电性能和机械性能，因此在生物医学、电子皮肤、柔性显示、可穿戴设备，人机界面等领域有着广泛的应用前景。

目前，在可拉伸弹性电子领域报道里，大部分研究都基于可拉伸p型有机半导体。与p型有机半导体相比，n型有机半导体通常更难制备和合成，且空气中的稳定性较差。同时由于材料本质性能导致其不具备可拉伸性。因此，为实现可拉伸互补性电子器件，如何制备兼具机械性能以及稳定性的可拉伸n型有机半导体仍是一个巨大挑战。

近日，美国宾夕法尼亚州立大学的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组在拉伸弹性电子领域取得了突破性进展，以“Elastic integrated electronics based

on a stretchable n-type elastomer–semiconductor–elastomer stack” 为题在Nature Electronics上报道了一种弹性体-半导体-弹性体三明治复合结构电子材料，基于该种结构，研究人员不仅实现了可拉伸n型弹性半导体，并且提高了该器件在空气中的长期稳定性。同时，研究人员不仅运用该结构制备了可拉伸的伪逻辑门，互补性反相器，还制备了可拉伸的光电探测器以及集成式曲率可调节成像器。

该课题基于余老师课题组近年来研发的橡胶电子学(Science Advances 8.47 (2022): eade4284；Nature Electronics (2022): 1-12；Nature Electronics 3.12 (2020): 775-784， Science Advances 6.38 (2020): eabb3656; Science advances 5.2 (2019): eaav5749; Science advances 3.9 (2017): e1701114)，该工作首次研发出可拉伸n型弹性半导体。

图1. 半导体-弹性体结构与弹性体-半导体-弹性体层三明复合结构比较

这种弹性体-半导体-弹性体三明治结构通过减少应力的集中，从而增加了裂纹发生的应变，减少了裂纹的尺寸与数量，并防止了裂纹的扩散。研究人员通过使用聚氨酯弹性体，不仅巧妙地实现了该三明治结构，同时还维持了该氨酯弹性体的功能性，即介电性能以及封装密闭性。因此，通过该结构所制备的电子器件，不仅具备基础的电子器件功能，同时兼备了较高的空气稳定性（100 天）及拉伸性。

图2. 基于弹性体-半导体-弹性体三明治结构所制备的可拉伸n型晶体管阵列，伪互补性反相器，与非门与或非门

针对于该弹性体-半导体-弹性体三明治结构，研究人员设计了一系列可拉伸电子器件，包括可拉伸n型晶体管阵列，伪互补性反相器，与非门与或非门。实验结果展现了以上电子器件在拉伸条件下优良的电学性能及稳定性。
除了以上可拉伸电子器件，基于n型有机半导体载流子传输特点，研究人员还制备了可拉伸互补反相器及可拉伸的光电探测器。

图3. 集成式曲率可调节成像器

对于缓解由Petzval表面和增强的广角视场所引起的图像失真，如何制备具有曲面几何形状的聚焦平面阵列成像器至关重要。基于该三明治结构，该科研人员通过制备8*8可拉伸光电探测器，并与可拉伸晶体管阵列集成实现了集成式曲率可调节成像器。该器件在平面，凸面以及凹面条件下都展示了稳定的器件性能。
综上，该工作报道了一种可拉伸的弹性体-半导体-弹性体三明治结构。这种结构不仅提高了器件的可拉伸性，同时通过上最上层的弹性体体还维持了的该材料的介电性能及空气下的稳定性。这种策略也可以应用于其他包括无机材料在内的其他易碎材料，并省去为了实现可拉伸性而产生的复杂结构设计。基于该种结构设计的可拉伸的n型半导体，在生物电子学、可穿戴设备、软性机器人和大规模集成电路有着非常大的发展潜力。
文章的共同第一作者是Hyunseok Shim博士(现为韩国釜山国立大学助理教授), Kyoseung Sim博士(现为韩国UNIST助理教授)，王炳昊教授和博士生张永操；其他作者包括课题组的Shubham Patel和Seonmin Jang，文章作者还包括合作者来自于西北大学的Tobin J. Marks教授和Antonio Facchetti教授。文章的通讯作者为余存江教授。

文章链接：

Hyunseok Shim, Kyoseung Sim, Binghao Wang, Yongcao Zhang, Shubham Patel, Seonmin Jang, Tobin J Marks, Antonio Facchetti, and Cunjiang Yu, Elastic integrated electronics based on a stretchable n-type elastomer-semiconductor-elastomer stack, Nature Electronics, 6, 349-359, 2023.

https://doi.org/10.1038/s41928-023-00966-4