鲍哲南nature：基于本征可拉伸晶体管阵列可扩展制备工艺的类皮肤电子器件

【引言】

类皮肤电子器件可无缝附着于人体皮肤或身体内，其被健康监测、医疗诊断、医学植入和生物学研究，以及人-机交互、柔性机器人和增强现实技术等应用寄予厚望。使上述电子器件柔性可拉伸功能，可使它们穿戴起来更舒适，此外，还可增加接触面积，极大地增加皮肤信号采集的保真度。

【成果简介】

近日，斯坦福大学鲍哲南教授研究团队开发了可对不同本征可拉伸材料实现高成品率和器件性能均匀的制备工艺，并实现了晶体管密度为347/ cm²的内在可拉伸聚合物晶体管阵列，这是迄今为止在所有已报道的柔性可拉伸晶体管阵列中的最高密度。该阵列的平均载流子迁移率可与非晶硅相当，在经过1000次100%应变循环测试后也只有轻微改变，同时，还无电流-电压迟滞。

基于上述制造工艺，该团队首次研发出皮肤一样属性的可拉伸集成电路元件，如有源阵列与传感器阵列集成的可拉伸触觉电路，可粘附到人体皮肤表面，使柔性电子装置佩戴或使用更加舒适。其所开发的工艺为结合其他内在可拉伸聚合物材料提供了一个通用加工平台，使制造下一代可拉伸类皮肤电子器件成为可能。

【图文导读】

图1可拉伸晶体管阵列作为类皮肤电子器件的核心部分

（a）可拉伸晶体管阵列作为类皮肤电子器件的核心部分的三维示意图

（b）指尖上包含108个可拉伸晶体管阵列，展示了迄今为止的最高密度：347/cm²

（c）粘贴在手腕上面积为4.4 4.4 包含6300个可拉伸晶体管的大面积阵列

图2可拉伸晶体管阵列制备方法

（a）制备流程图

（b）顶图：叠氮交联反应，由紫外光引发的，基于叠氮基与CH基团的反应；中图：弹性体中的聚合物链网络（蓝色，矩形平面代表刚性部分；曲折线代表柔软部分）通过叠氮化物（红色）交联成三维网络；底图：叠氮化物交联剂的化学结构，叠氮交联是光学图形化可拉伸介电层的一种普遍适用的策略

（c）基于刻蚀方法图形化可拉伸半导体层工艺，利用铜掩模版作为保护层，氟化聚合物薄膜作牺牲层

（d）基于打印方法的图形化可拉伸半导体层工艺

（e）性能表征及所展示的可拉伸晶体管阵列的单个晶体管模型

（f）含有108个晶体管的晶体管阵列光学图像，标尺：1mm

（g）单个晶体管放大图

图3可拉伸晶体管阵列的电学性能及可拉伸性能

（a）晶体管无应变下的特征曲线显示了很小的电流迟滞，所加源漏电压：-30V

（b）含有108个晶体管阵列中的102个可工作晶体管得电流和阈值电压直方图

（c）每个位置的晶体管电荷载流子迁移率显示图

（d）在平行（顶部）和垂直（底部）沟道方向，晶体管阵列从0%到100%应变并释放的光学显微图像，标尺：250µm

（e）顶图：晶体管阵列被被拉伸至100%应变的应力分布计算图；底图：介电层的底面剪切应力和垂直应力分布（40%应变）

（f、g）平行于沟道（f）、垂直于沟道（g）的单个拉伸周期下的迁移率及阈值电压

（h、i）平行于沟道（h）、垂直于沟道（i）的1000个拉伸周期中100%应变及释放状态下的迁移率和电流

图4适用于类皮肤电子的可拉伸电路

（a）可拉伸晶体管阵列集成的可拉伸有源矩阵，标尺：1mm。插图为从晶体管的特征曲线

（b）可拉伸有源矩阵中的触觉传感器阵列示意图

（c）触觉传感器阵列紧密附着在手心，可准确感知人造瓢虫位置

（d）电流成像显示可准确感知人造瓢虫腿的位置

（e）所制备的可拉伸反相器的原始状态（顶图）及被拉升至100%应变（底图）的光学显微图像

（f）反相器从0%到100%应变下的转移曲线

（g）所制备的可拉伸与非门的原始状态（顶图）及被拉升至100%应变（底图）的光学显微图像

（h）与非门在0%和100%应变下的输入-输出特性

（i）所制备的可拉伸放大器的原始状态（顶图）及被拉升至100%应变（底图）的光学显微图像

（j）放大器在0%、50%和100%应变下对输入正弦信号的放大

（k）使用可拉伸放大器对可拉伸应力传感器的动脉监测信号进行放大

（l）放大前后的动脉监测信号

【小结】

此前的柔性电子技术基本通过牺牲电子器件密度来实现刚性和易碎材料的拉伸，有很大局限性，且制造工艺复杂，本文工作首次成功开发出用于有机材料的制备工艺，并用其制备出具有信号处理和计算功能的可拉伸晶体管阵列。此外，所报道的制作工艺为未来材料应用至类皮肤功能电子电路中提供了加工平台，甚至有可能赋予柔性电子皮肤“超越”柔软性和可变形性等更多功能。

文献链接：Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array（Nature, 2018, DOI:10.1038/nature25494）

本文由材料人电子电工学术组李小依供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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