鮑哲南PNAS: 生物相容并完全可分解的半導體聚合物在超薄超輕瞬態電子器件中的應用

【引言】

持續增長的性能需求和消費電子器件較短的使用壽命直接造成了電子器件廢棄數量的增長。當前，消費電子器件一般使用不能分解、非生物相容性的材料，有時甚至使用了有毒的材料，這導致了全球范圍嚴重的生態挑戰。為解決這些問題，瞬態電子器件或“綠色”電子器件成為了一種新興的技術，其在使用過或處理后可以物理分解，具有環境友好的特點。除此之外，瞬態電子器件也開辟了一個新的應用領域，例如可被人體吸收的植入式電子器件和在可控條件下能夠完全分解的安全電子器件。共軛聚合物具有機械柔性、可延展以及可在低溫下進行液相處理的性質，這使其能夠使用卷對卷的制造技術生產低成本、柔性并可延展的電子器件。更為重要的是，有機電子器件對環境溫和，在應用領域極具潛力。然而，目前還沒有關于完全可分解的聚合物半導體的報道，其具有制作成本低和完全可分解瞬時電子器件的能力。

【成果簡介】

近日，來自斯坦福大學的鮑哲南教授（通訊作者）等人報道了一種生物相容并完全可分解的半導體聚合物，并將其應用在了超薄超輕的瞬態電子器件中，相關的研究成果以“Biocompatible and totally disintegrable?semiconducting polymer for ultrathin and?ultralightweight transient electronics”為題發表在了Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。

本文研究的半導體聚合物完全可降解并具有生物兼容性，可用于薄膜晶體管中。這種聚合物由可逆的亞胺鍵連接，其組成部分可以在溫和的酸性條件下輕易分解。此外，超薄、可生物降解并具有較高化學和熱穩定性的襯底也被開發出來。結合鐵電極，文中也成功制備出了完全可降解和生物兼容性的聚合物晶體管和贗互補金屬氧化物半導體（pseudo-CMOS）柔性電路。這種贗互補金屬氧化物半導體柔性電路具有超薄和超輕的特點，其開路電壓低，并有望應用于低成本、生物兼容以及超輕的瞬態電子器件中。本文是有機材料領域的重要進展，能夠廣泛應用于環境友好并可降解的電子器件中。

【圖文導讀】

圖1 聚合物基瞬態“綠色”電子器件示意圖

（A）瞬態聚合物電子器件中聚合物的合成、器件的制作及分解循環

（B）利用可降解聚合物作為活性材料或襯底的柔性器件

（C）利用亞胺化學合成可分解PDPP-PD

圖2?PDPP-PD的降解性和生物兼容性

（A）PDPP-PD降解過程中的吸收光譜變化

（B）在pH為4.6的緩沖溶液中降解前后聚合物薄膜的吸收光譜變化

（C）利用鈣黃綠素（calcein-AM）和EthD-1染色后的活HL-1心肌細胞的熒光照片

（D）分別在體外培養2、4和6天后HL-1心肌細胞的存活情況

圖3 超薄纖維素薄膜和PDPP-PD聚合物晶體管的表征

（A）厚度為800nm的纖維素薄膜的光透過率

（B）吸收濃度為1 mg/mL的纖維素緩沖液后纖維素薄膜的厚度變化

（C）纖維素薄膜的AFM高度照片

（D）聚合物薄膜的二維切線入射X射線衍射（2D-GIXD）圖

（E）在800nm 厚的纖維素襯底上制作的PDPP-PD晶體管的傳輸和輸出特性

圖4 基于PDPP-PD的可分解贗CMOS

（A）贗CMOS電路的器件結構

（B）器件在溶解掉右旋糖酐層后浸沒在水中的照片

（C）由人發撈起的器件照片

（D）轉移到粗糙鱷梨樹表面的器件照片

（E）將器件轉移到PDMS襯底表面進行電學測量

（F）轉移到人類大腦模型表面的器件照片

（G-L）不同邏輯門電路的光學顯微鏡照片、電路圖和輸入輸出特性

圖5 利用鐵作為電極的完全可降解電子器件

（A）用于完全可降解電子器件的材料的示意圖和器件結構

（B）將鐵作為柵極和源漏電極的器件的傳輸特性

（C）器件在不同降解過程的照片

【小結】

本文制備了可完全分解并具有生物相容性的半導體聚合物和完全可降解的柔性電路。利用可逆亞胺化學得到了具備完全可分解特性的共軛聚合物，其電荷載流子遷移率高，并可用于不同的邏輯門電路中。相比傳統的共軛聚合物，其電學特性優異并可進行液相處理。此外，文中還報道了具有高度化學和熱穩定性的超薄纖維素薄膜，并應用在了瞬態和可生物分解的電子器件中。并對超輕的贗CMOS邏輯電路和完全降解的聚合物瞬態電子器件進行了研究。本文的工作對于制作環境友好、生物兼容并可分解的電子器件開辟了新的道路。

文獻鏈接：Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics（P. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1701478114）

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