《AFM》东华王刚、孙恒达与川大冯良文：剪切增强杂化技术实现高性能聚合物半导体纤维及器件制备！

有机电化学晶体管（OECT）兼具高灵敏度、多模态响应、低工作电压等优势，在智能可穿戴设备领域具有重要应用前景。其中，为匹配可穿戴应用场景，实现电子器件的织物化以及与传统织物的无缝集成，以聚合物半导体纤维为半导体活性层的纤维有机电化学晶体管（F-OECTs）有望成为下一代可穿戴设备的重要核心器件之一。然而，现有F-OECTs的性能受制于聚合物半导体纤维的本征性能限制，在器件电化学调制性能和纤维强度方面仍存在较大不足。

为解决这一问题，东华大学王刚、孙恒达研究员联合四川大学冯良文研究员提出了一种“剪切增强杂化”技术，通过在聚合物半导体纤维制备过程调控剪切流场和引入功能添加剂实现了高载流子迁移率和优异机械强度的聚合物半导体纤维的制备，并以此为核心制备了高性能F-OECTs。相关研究以“Shear-Intensified Hybridization of Conjugated Polymer Fibers for Organic Electrochemical Transistors”为题发表在学术期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202515197）。硕士生汪向宇与博士生蒋浩、王浩宇为共同第一作者。相关工作得到了朱美芳院士指导，受到国家自然科学基金、国家重点研发项目等支持。

研究团队设计的剪切增强杂化技术通过在聚合物半导体纤维湿法纺丝过程中，引入特异性功能添加剂，对聚合物半导体分子起到“二次空间限域”作用，实现了“剪切增强”，有效提升了聚合物半导体的分子取向；此外，功能添加剂与聚合物半导体之间通过π-电子离域作用形成了增强的共轭效应，实现了“杂化纤维”的构建。纤维表面形貌、偏光显微镜表征结果与分子动力学（MD）模拟结果的联合分析表明，剪切作用提升了分子沿纤维轴向的取向排列；同步辐射表征结果（WAXS、GIWAXS）与基于密度泛函理论的第一性原理（DFT）模拟结果共同证明了杂化纤维内部的π-π堆积距离有效降低，实现了更优异的共轭作用。

在该分子级杂化设计下，杂化聚合物半导体纤维性能实现多重增益：功能添加剂含量为1 wt.%的杂化纤维拉伸断裂强度约210 MPa，杨氏模量约6.8 GPa，屈服强度约140 MPa，相较纯聚合物半导体纤维，性能分别提升约29 %、32%、34%；基于该杂化纤维构建的F-OECT中，器件核心性能：尺寸归一化跨导提升＞ 50%，轴向载流子迁移率提升约40%，阈值电压、响应速率等性能也表现出不同幅度的提升，且器件在＞3 h（3000次）循环中依然稳定，处于纤维F-OECT的先进水平。

在可穿戴设备构筑方面，团队构建了以杂化F-OECTs为核心的全织物p-n互补逆变器，实现了输入端电学信号的放大，放大增益＞80 V/V，并应用在了生理信号监测领域。

该研究通过“设计—材料—机理—器件—应用”的全流程规划和分析，不仅为聚合物半导体纤维性能增强和F-OECTs性能优化拓展了新的技术手段，也为柔性电子、可穿戴设备、生理信号监测等前沿方向注入了新的发展活力。

以下为本工作的具体研究内容：

剪切增强杂化纺丝机制

本研究以一种n型梯形聚合物半导体 BBL 为核心材料，设计了一种剪切增强杂化的纺丝技术：通过在BBL湿法纺丝过程中，引入平面高共轭结构材料GO，对BBL实现了二次空间限域，有效增强了BBL分子延纤维轴向的取向。同时，通过热退火，使得GO转化为共轭结构更优的功能化石墨烯——FG，同时提升BBL分子结晶度，实现了杂化分子内部π-π作用的增强。这种纤维内部分子取向和共轭结构的双重优化，有利于杂化体系内部载流子的迁移以及纤维整体机械性能的提升。首先，在机械性能方面，杂化纤维展现出了可观的性能提升。功能添加剂含量为1 wt.%的杂化纤维拉伸断裂强度提升约29%，杨氏模量提升约32%，屈服强度提升约34%，证明其具有实际应用可能，为后续F-OECTs制备和织物集成提供了基本保障。

图1 剪切增强杂化纤维设计及力学性能

杂化纤维微观结构及增强机理

随FG含量增多，杂化纤维表面沿纤维轴向出现明显的沟槽，这归因于BBL纳米原纤在FG作用下沿纤维轴向的有序排列，POM表征进一步验证了FG的作用，可以发现随着FG含量的增加，纤维亮度逐渐增强，表明其取向程度的提升。然而，值得注意的是，当FG含量超过1 wt.%后，纤维表面出现明显缺陷，这抑制了纤维取向的进一步增强。WAXS证实杂化纤维内部共轭结构的优化。π–π堆积(010)峰由纯BBL的q ≈ 1.85 Å⁻¹（d ≈ 3.40 Å）右移到FG = 1 wt.%时的q ≈ 1.93 Å⁻¹（d ≈ 3.26 Å）。杂化纤维的微观结构表征揭示了其取向增强和共轭结构优化的双重结果，验证了剪切增强杂化设计的可行性。

图2 BBL/FG纤维的微观结构

计算机模拟验证

MD验证了GO在BBL成纤过程中对其分子运动的取向调控。文章发现当引入适当GO时，杂化体系内部分子沿剪切方向的伸直链取向运动增强，这与通过纤维表面形貌和POM图片分析的结论保持一致；DFT计算结果表明，相较纯BBL体系，杂化纤维体系内部BBL与FG的π-π堆积距离更小，结合能更大，形成了优化增强的共轭体系，这与WAXS测试结果一致。总结来看，计算机模拟结论与杂化纤维微观结构表征结果相互印证，深入揭示了功能添加剂在聚合物半导体分子成纤过程中取向增强和共轭结构优化的机理，体现了“剪切增强杂化”技术的理论可靠性。

图3 杂化纤维取向增强及共轭结构优化的计算机模拟验证

基于杂化纤维的F-OECTs

由于杂化纤维内部BBL分子排列有序性的提升以及共轭结构的增强，基于杂化纤维的F-OECTs表现出更加优异的半导体性能：在基于 BBL/FG 纤维的n型累积型F-OECT中，几何归一化跨导gm,norm提升约54%、响应速率提升约38%；本征参数方面，μC*提升约48%，在C*近似不变的前提下，载流子迁移率提升约46%。同时在门脉冲下经>3000次循环仍维持约103的开关比与稳定输出。

图4 F-OECT的半导体性能

全纤维互补逆变器及生理信号监测系统

在OECTs应用中，p-n互补逆变器可以实现信号放大，在智能可穿戴设备中具有重要应用价值。而其性能一直受制于n型OECTs器件的不足。因此，基于本研究制备的高性能杂化聚合物半导体纤维的n型OECTs，结合静电纺纳米纤维膜基底、蒸镀电极与常见p型聚合物半导体纤维，构筑了一种全织物互补逆变器。首先，基于高性能杂化聚合物半导体纤维的n型OECTs与p型OECTs表现出了优异的性能匹配性，这是构筑高性能互补逆变器的先决条件。制备得到的全织物互补逆变器表现出优异的放大性能（增益约90 V/V）和可靠的柔性纤维结构。最后，该全纤维互补逆变器被集成到生理信号监测系统中，可以实现眼电信号的放大与检测，在智能可穿戴设备和生物电子器件领域表现出了极大的应用潜力。

图5 全纤维互补逆变器及生理信号监测系统

小结

该研究通过在聚合物半导体湿法纺丝过程引入功能添加剂，实现了聚合物半导体分子聚集态的有效调控，构建了一种高取向、高共轭结构杂化纤维。杂化聚合物半导体纤维表现出优异的力学性能，具有实际使用能力。基于杂化纤维的纤维有机电化学晶体管表现出了优异的电化学调制能力和工作稳定性，并实现了织物级的智能可穿戴设备的构筑。该研究为聚合物半导体纤维力-电性能协同增强提供了新思路，未来将面向多材料协同开发，推动在可穿戴生物电子、智能纺织与具身健康监测等场景中的规模化应用与产业化落地。

团队介绍

东华大学王刚研究员围绕“半导体功能纤维与器件”这一领域进行系统研究，代表性工作有：基于直接微光刻技术实现有机半导体晶体管光-电-离协同的晶圆级集成（Adv. Mater. 2025, 2417452）；剪切增强液晶纺丝制备聚合物半导体纤维（Natl. Sci. Rev. 2025, nwaf331）；基于高精度混合流打印技术的聚合物半导体纤维薄膜基电子器件（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2020, 117, 202000398）；基于一体化流体加工的单纤维电化学晶体管（Adv. Electron. Mater., 2021, 7, 2100231）；高性能纤维状垂直结构有机电化学晶体管的曲面光刻策略（Chem. Mater., 2023, 35, 22, 9739）；基于精密纤维表界面调控的电子-离子杂化半导体纤维及神经界面应用（Nat. Commun., 2023, 14, 2355; Angew. Chem. Int. Ed., 2024: e202418999）。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202515197