鮑哲南Science ：基于納米限域的高伸縮性聚合物半導體薄膜（附視頻）

lixiaoyi 7年前 (2017-01-12) 9867瀏覽

【引言】

電子生物醫學應用，如生理監測、植入治療、電子皮膚、和人機接口、必須與生物組織機械相容，具有低模量、柔性、可拉伸等特點。基于幾何設計的幾種方法，例如帶扣結構、波狀圖案等，賦予電子器件以可拉伸性并且具有用于各種可穿戴應用的潛力，然而現有的可拉伸半導體通常是以犧牲電荷傳輸移動性以實現拉伸性。

【成果簡介】

近期，斯坦福大學鮑哲南教授（通訊作者）和三星先進技術研究院的Jong Won Chung（通訊作者）等人通過探索基于聚合物的納米限域的概念，以顯著地改善聚合物半導體的拉伸性，而不影響電荷傳輸遷移率。在納米限域下增加的聚合物鏈動力學顯著降低共軛聚合物的模量，并大大延遲在應變下的裂紋形成的開始。基于上述原理，他們制備的半導體膜可以拉伸到100％應變，而不影響遷移率，保持值與非晶硅相當。他們展示的完全可拉伸的晶體管表現出高的雙軸拉伸性，即使用鋒利的物體戳刺時，導通電流的變化也很小，此外，他們還展示了一個皮膚般的手指可穿戴的發光二極管驅動。

【圖文導讀】

圖1 通過CONPHINE方法提高聚合物半導體膜拉伸性的納米限域效應

(A) 由高分子半導體的嵌入式納米級網絡組成的以實現高拉伸性的預期形態3D示意圖，其可以用于構造高度可拉伸和耐磨的TFT

(B) 半導體聚合物DPPT-TT（標記為1）和SEBS彈性體的化學結構。

(C)用于研究納米限域效應的DPPT-TT的三個模型膜（即增加的鏈動力學和抑制的結晶）

(D) 厚、薄和納米纖維膜的玻璃化轉變溫度

(E) 對于三個模型膜和具有70％SEBS膜的CONPHINE-1沿著qxy軸的XRD線切割，通過DPPT-TT層的曝光時間和體積以及偏移實現標準化

(F) 模型膜的彈性模量，塑性的起始應變和開裂應變，以及納米纖維膜的模擬模量。彈性模量和起始應變的誤差條分別表示標準偏差和測量誤差的范圍

(G)具有70％重量的iSEBS的CONPHINE-1膜的頂、底部界面AFM相圖像

(H) CONPHINE-1膜形態的3D示意圖

(I) 在0％應變下并在橡膠基材上拉伸至100％應變的CONPHINE-1膜（藍色區域）的照片

圖2 在不同應變下半導體膜的拉伸性和電性能的表征

(A) 支撐在PDMS基底上的半導體膜的拉伸的示意圖

(B) 在100％應變下的NEAT-1膜（左）和CONPHINE-1膜（中）的光學顯微鏡圖像及AFM相圖像（右）顯示CONPHINE-1膜中的顏色變化不是由于裂紋導致的

(D)從CONPHINE-1膜和處于其原始狀態（i），在平行于電荷傳輸方向的100％應變下（ii），和在100％應變下垂直電荷傳輸方向（iii）的純-1膜獲得的轉移曲線（漏電壓為-80V）

(E、F) 在不同應變下，平行（E）和垂直（F）于電荷傳輸方向的CONPHINE-1膜（藍色）和凈-1膜

(G) 將本研究中拉伸應變下獲得的遷移率與先前報道的結果進行比較

(H) CONPHINE-1膜（綠色）和純-1膜（黑色）的電子移動性與100％應變拉伸循環的函數關系平行于電荷傳輸方向

圖3由CONPHINE-1膜制成的完全可拉伸的晶體管

(A) 器件結構（溝道長度：200mm；溝道寬度：4mm；介電電容：15mF / m 2）

(B)圖像表明晶體管的透明度（左）和當附著在手背（中間）上時呈現皮膚性質，以及如SEM圖像中所示的適形性（右）

(D) 來自完全可拉伸晶體管陣列中的20個器件的遷移率分布

(E) 100％的應變下，導通電流和遷移率的變化（用測量的器件幾何形狀和在應變下的介電電容計算（表S3）；（F）中的值同理），兩者平行于（實心圓）和垂直于（空心圓）電荷傳輸方向

(F) 沿著電荷傳輸方向25％應變下的多個拉伸-釋放循環（高達1000個循環）之后的導通電流，截止電流和遷移率的變化

(G) 完全可拉伸TFT在順序拉伸，扭曲和用鋒利物體戳刺時的漏極電流（ID）和柵極電流（IG）

(H) 充分拉伸晶體管作為LED的手指可佩戴驅動器的演示

圖4在四種不同的共軛半導體聚合物上應用CONPHINE方法以改善它們的拉伸性

(A-D) （A）P-29-DPPDTSE（2）、（B）PffBT4T-2DT（3）、（C）P（DPP2TTVT）（4）和（D）PTDPPTFT4（5）的聚合物的純共軛聚合物膜（中間）和對應的CONPHINE膜（右）的光學顯微照片，其化學結構如左側所示。比例尺20 mm。在100％應變下的CONPHINE膜表現出不均勻的厚度，但沒有由于塑性變形而產生的裂紋

(E) 在兩個圖中具有相同的垂直軸的純聚合物膜（左）和相應的CONPHINE膜（右）在100％應變下的轉移曲線（VD = -80V）

(F) 100％應變下，共軛聚合物的純膜（灰色）和相應的CONPHINE膜（綠色）的標準化遷移率

【展望】

聚合物納米限域使得半導體材料具有高的可拉伸性。文章介紹的CONPHINE方法可創建具有增加的鏈動力學和減少嵌入的結晶度的共軛聚合物納米結構以保持拉伸過程中的遷移率。這種一般方法將推進用于可拉伸電子皮膚應用的可拉伸半導體的開發。