复旦大学刘云圻院士、赵岩教授《自然·通讯》：仿生纤维半导体微网格引领可拉伸光电突触新突破

近年来，共轭聚合物因其固有的柔性和生物相容性，成为下一代仿生设备的理想材料。然而，如何同时赋予其优异的机械性能和功能性仍面临巨大挑战。生物启发结构设计虽能提升半导体性能，但共轭聚合物体系中的结构调控策略尚不成熟。现有可拉伸突触器件在变形下性能易退化，亟需开发兼具高光电性能与拉伸性的新材料体系。

复旦大学刘云圻院士、赵岩教授和海军军医大学长海医院Wang Zhihui合作，提出一种通过范德华力调控相分离的策略，成功制备出具有仿生纤维微网格结构的高性能可拉伸半导体薄膜。该薄膜具备几何可变形微米网格与纳米纤维子结构，显著提升了材料的机械与电学拉伸性。基于此结构的光电突触器件在125%应变下仍能稳定模拟视觉系统的光传导与记忆功能，为柔性生物电子学开辟了新路径。相关论文以“Biomimetic fibrous semiconducting micromesh via tuning phase separation for high-performance stretchable optoelectronic synapses”为题，发表在

Nature Communications

研究团队通过将共轭聚合物N2200与具有强分子间作用的塑性聚合物PBAT共混，利用旋涂过程中的相分离行为，构建出具有多层次有序结构的纤维微网格薄膜。图1展示了该薄膜的制备过程及其仿生形态，AFM图像揭示了微米级网格与纳米纤维的共存，显著提升了薄膜的应变耐受性，裂纹起始应变最高达130%。

图1 | 通过引入半结晶塑性聚合物制备可拉伸半导体聚合物的FMM薄膜 a. 左：用于可拉伸生物电子学的有机半导体仿生设计；右：通过旋涂法制备FMM薄膜的示意图及N2200与PBAT的化学结构。 b. 不同尺度下FMM薄膜的AFM图像（左：粘附力图；中、右：高度图）。右下角为横跨三条纤维的线扫描剖面。 c. FMM薄膜多层次有序结构示意图。 d. 纯N2200薄膜（上）与FMM薄膜（下）在100%应变下的光学图像。比例尺为20微米。 e. 不同组分含量FMM薄膜的裂纹起始应变。 f. 不同策略制备的可拉伸薄膜的纤维直径与孔径对比图。

图2进一步揭示了范德华力在调控相分离中的关键作用。与使用SEBS的LS薄膜相比，PBAT的强分子间作用促使形成更连续的互穿网络，抑制了宏观相分离，从而优化了薄膜的力学与功能性能。

图2 | 通过范德华力调控相分离形成纤维微网格中的互穿网络 a. 相分离过程示意图（i.液-液相分离；ii.聚集辅助粗化；iii.形成的纤维微网格）。 b. 左：FMM薄膜与LS薄膜中富弹性体与富半导体区域的粘附力AFM图像；右：DMT模量统计分布图。 c. 左：AFM图谱截面区域示意图及高度与模量轨迹；右：薄膜内半导体与绝缘体分布示意图。

图3研究了孔径对应变耗散机制的影响。通过调控组分比例与成膜工艺，研究者获得了孔径在175纳米至2100纳米之间的多孔薄膜。偏振紫外-可见光谱与有限元模拟表明，当孔径超过700纳米时，几何变形成为主要的能量耗散方式，有效保护了聚合物链的完整性。

图3 | 调控薄膜几何形态以实现抗应变结构 a. 不同制备方法得到的混合薄膜形貌AFM图。 b. 旋涂法制备的多孔OSC薄膜的特征孔径随PBAT比例变化。 c. 不同方法制备的多孔OSC薄膜特征孔径。 d. 拉伸下OSC聚合物薄膜的偏振UV-vis吸收光谱示意图。 e. 取向参数f随孔径变化的关系图。 f. 不同孔径多孔薄膜的应力分布有限元模拟图。 g. 模型中桥区、岛区与边缘区的应力分布。

图4展示了FMM薄膜在拉伸下的形态演变。即使经历100%应变，薄膜中的纳米纤维仍能保持结构完整并在释放后恢复原状，而CIWAXS结果证实其晶态结构在应变下保持稳定，显示出优异的机械可逆性。

图4 | 不同拉伸条件下薄膜的形态研究 a. 薄膜在弹性体上拉伸的策略示意图。 b. FMM薄膜在不同应变下的粘附力AFM图像。 c. 纯薄膜、LS薄膜与FMM薄膜在初始状态、100%应变及释放后的SEM图像。 d. 纯薄膜与FMM薄膜在100%应变下的CIWAXS图谱。 e. 初始与100%应变下CIWAXS图谱的积分曲线。 f. 100%应变下纯薄膜、LS薄膜与FMM薄膜的取向参数。 g. LS与FMM薄膜孔隙的纵横比统计。 h. 纯薄膜、LS薄膜与FMM薄膜的裂纹起始应变。

图5中，以FMM薄膜为有源层制备的全拉伸有机晶体管在100%应变下仍保持高达200%的电流保持率，远优于传统薄膜。基于FMM的互补逆变器也表现出稳定的逻辑转换功能，验证了其在柔性电路中的实用性。

图5 | 基于N2200 FMM薄膜的本征可拉伸有机晶体管与逆变器 a. 可拉伸OFET器件结构示意图。 b. 基于FMM、纯薄膜与LS薄膜的OFET在不同应变下的转移曲线。 c. 初始与100%应变下OFET的输出曲线。 d. 本工作与文献中可拉伸OFET的迁移率保持率对比。 e. 不同应变下三种薄膜OFET的开态电流对比。 f. 可拉伸有机互补逆变器的结构示意图与电路图。 g. 不同应变下逆变器的电压传输曲线。 h. 器件性能参数随应变变化。

图6展示了利用DPPTT基FMM薄膜构建的可拉伸突触光电晶体管。该器件成功模拟了视觉系统中的短时/长时记忆、配对脉冲促进等突触行为，且在125%应变下仍能保持稳定的光响应与突触可塑性，经历1000次拉伸循环后性能依旧可靠。

图6 | 基于DPPTT FMM薄膜的可拉伸突触光电晶体管模拟人脑视觉记忆 a. 突触光电晶体管模拟视觉记忆的工作原理示意图。 b. FMM突触的典型光电流响应曲线。 c. PPF指数随脉冲间隔变化的关系图。 d. 不同光照时长下FMM突触的EPSC响应。 e. FMM、LS与纯薄膜突触的光响应度对比。 f. 本工作与已报道可拉伸有机突触器件的性能对比。 g. 不同应变下FMM与纯薄膜突触的EPSC响应。 h. 125%应变下FMM突触的EPSC响应。 i. 循环拉伸下FMM突触的EPSC稳定性。

该研究通过仿生结构设计，实现了共轭聚合物薄膜在拉伸性与功能性的协同提升，为发展高性能柔性光电器件与神经形态视觉系统提供了新思路。未来，这一策略有望广泛应用于可穿戴电子、软体机器人及人工视觉等领域。

来源：高分子科学前沿

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