鲍哲南Nature：用于有机晶体管的本征可拉伸和可愈合半导体聚合物

【引言】

薄膜场效应晶体管作为可穿戴柔性电子器件的重要组成部分，其所有的组成部分以及材料都必须是可拉伸并且具有一定机械强度的。尽管近几年在柔性导体的研究上已经有了较大的进展，但是目前为止，柔性半导体的实现方法主要是集中在材料的应变调节或者在弹性体里混合纳米纤维或纳米线。另外的替代方案是直接使用本身就具有柔性的半导体材料，这样就可以用标准工艺制作柔性电子器件设备。这种半导体材料分子层面的拉伸性可以通过改性共轭聚合物侧链和分段骨干加入柔韧的分子结构单元实现。

【成果简介】

美国斯坦福大学鲍哲南（通讯作者）研究组2016年11月17日报道了一种本征可拉伸半导体聚合物的设计，引入化学基团促进共轭聚合物的动态非共价键交联。当产生应变时，这些非共价交联部分能够通过断裂键而经历能量耗散机制，保持较高的电子迁移能力（超过1 cm²V⁻¹s⁻¹）。结果显示在百分之百的应变之下，该半导体聚合物的场效应迁移率能依旧维持1.12 cm²V⁻¹s⁻¹。

【图文导读】

图1 可愈合拉伸半导体晶体管的设计和性能表征

（a）聚合物P1到P7的化学结构以及通过动态键合提高共轭聚合物拉伸性的机理；

（b）P1到P4聚合物的载子场效应迁移率以及开关电流比；

（c）氢键数量在聚合物弹性模量以及裂纹形成应变上的影响；

（d）P1，P3，P5在不同应变下的二向色比；

（e）应变率对P1，P3，P5相对结晶度的影响。

图2 半导体聚合物在产生应变时的电荷迁移率及其愈合性能

（a）在拉伸的聚合物薄膜上制作有机薄膜晶体管的流程；

（b, c）不同应变下沿着应变方向合垂直应变方向的场效应迁移率；

（d, e）不同应变循环次数对应的沿着应变方向和垂直应变方向的迁移率；

（f）用于修复共轭聚合物膜的处理的展示；

（g, h）P3薄膜损坏和愈合的AFM图像；

（i, j）损坏和愈合的P3有机薄膜晶体管的转移曲线以及迁移率。

图3 可拉伸晶体管的表征

（a）用可拉伸共轭聚合物制造的完全可拉伸的5×5有机晶体管阵列的照片和架构；

（b, c）晶体管阵列中的场效应迁移率的分布映射和统计；

（d, e）完全可拉伸的5×5有机晶体管阵列的输出和传输曲线。

图4 可伸缩晶体管制作皮肤启发的可穿戴设备

（a）从0％到100％应变的可拉伸OTFT的原位拉伸图像；

（b, c）场效应迁移率和拉伸循环期间可拉伸晶体管的开/关电流比和阈值电压Vth；

（d, e）分别在25％应变沿着通道长度和宽度方向的500个拉伸循环的OTFT的迁移率和开/关比；

（f）在人类皮肤上折叠，扭曲和拉伸的OTFT的照片；

（g）经过各种极端的人类运动后的OTFT迁移率；

（h）机械损伤愈合前后OTFT的迁移率。

【小结】

鲍哲南研究组首次提出这种设计并合成了在拉伸情况下依旧具有较高电子迁移率的可愈合聚合物半导体材料，这无疑是柔性半导体材料及器件的巨大进展。对于柔性电子器件设备的探索已经非常非常多，但是在柔性半导体聚合物的探索仍有待继续！能否合成或者设计出同时具有高性能且能在应变下保持较高性能的有机晶体管，仍然需要广大科研工作者的努力。

文献链接：Intrinsically stretchable and healable semiconducting polymer for organic transistors（Nature, 2016, doi:10.1038/nature20102）

本文由材料人电子电工学术组狗熊的峰供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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