鮑哲南Nature：用于有機晶體管的本征可拉伸和可愈合半導體聚合物

?【引言】

薄膜場效應晶體管作為可穿戴柔性電子器件的重要組成部分，其所有的組成部分以及材料都必須是可拉伸并且具有一定機械強度的。盡管近幾年在柔性導體的研究上已經有了較大的進展，但是目前為止，柔性半導體的實現方法主要是集中在材料的應變調節或者在彈性體里混合納米纖維或納米線。另外的替代方案是直接使用本身就具有柔性的半導體材料，這樣就可以用標準工藝制作柔性電子器件設備。這種半導體材料分子層面的拉伸性可以通過改性共軛聚合物側鏈和分段骨干加入柔韌的分子結構單元實現。

【成果簡介】

美國斯坦福大學鮑哲南（通訊作者）研究組2016年11月17日報道了一種本征可拉伸半導體聚合物的設計，引入化學基團促進共軛聚合物的動態非共價鍵交聯。當產生應變時，這些非共價交聯部分能夠通過斷裂鍵而經歷能量耗散機制，保持較高的電子遷移能力（超過1 cm²?V^?1s^?1）。結果顯示在百分之百的應變之下，該半導體聚合物的場效應遷移率能依舊維持1.12 cm²?V^?1s^?1?。

【圖文導讀】

圖1 可愈合拉伸半導體晶體管的設計和性能表征

（a）聚合物P1到P7的化學結構以及通過動態鍵合提高共軛聚合物拉伸性的機理；

（b）P1到P4聚合物的載子場效應遷移率以及開關電流比；

（c）氫鍵數量在聚合物彈性模量以及裂紋形成應變上的影響；

（d）P1，P3，P5在不同應變下的二向色比；

（e）應變率對P1，P3，P5相對結晶度的影響。

圖2 半導體聚合物在產生應變時的電荷遷移率及其愈合性能

（a）在拉伸的聚合物薄膜上制作有機薄膜晶體管的流程；

（b,?c）不同應變下沿著應變方向合垂直應變方向的場效應遷移率；

（d,?e）不同應變循環次數對應的沿著應變方向和垂直應變方向的遷移率；

（f）用于修復共軛聚合物膜的處理的展示；

（g, h）P3薄膜損壞和愈合的AFM圖像；

（i, j）損壞和愈合的P3有機薄膜晶體管的轉移曲線以及遷移率。

圖3 可拉伸晶體管的表征

（a）用可拉伸共軛聚合物制造的完全可拉伸的5×5有機晶體管陣列的照片和架構；

（b,?c）晶體管陣列中的場效應遷移率的分布映射和統計；

（d,?e）完全可拉伸的5×5有機晶體管陣列的輸出和傳輸曲線。

圖4?可伸縮晶體管制作皮膚啟發的可穿戴設備

（a）從0％到100％應變的可拉伸OTFT的原位拉伸圖像；

（b,?c）場效應遷移率和拉伸循環期間可拉伸晶體管的開/關電流比和閾值電壓Vth；

（d,?e）分別在25％應變沿著通道長度和寬度方向的500個拉伸循環的OTFT的遷移率和開/關比；

（f）在人類皮膚上折疊，扭曲和拉伸的OTFT的照片；

（g）經過各種極端的人類運動后的OTFT遷移率；

（h）機械損傷愈合前后OTFT的遷移率。

【小結】

鮑哲南研究組首次提出這種設計并合成了在拉伸情況下依舊具有較高電子遷移率的可愈合聚合物半導體材料，這無疑是柔性半導體材料及器件的巨大進展。對于柔性電子器件設備的探索已經非常非常多，但是在柔性半導體聚合物的探索仍有待繼續！能否合成或者設計出同時具有高性能且能在應變下保持較高性能的有機晶體管，仍然需要廣大科研工作者的努力。

文獻鏈接：Intrinsically stretchable and healable semiconducting polymer for organic transistors（Nature, 2016, doi:10.1038/nature20102）

本文由材料人電子電工學術組狗熊的峰供稿，材料牛整理編輯。

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