Science Advances：超柔韌有機光子皮膚

【背景介紹】高分子發光二極管（PLEDs，polymer light-emitting diodes）是由劍橋大學的杰里米伯勒德及其同事首先發現的。1990年，英國劍橋大學的Friend研究小組首先利用聚對苯乙炔(PPV)制作PLEDs器件，14 V電壓下發出黃綠色光，開創了聚合物電致發光材料研究的新時代。PLEDs是一種自發光顯示材料，具有超輕、超薄、亮度高、功耗低、抗震性能優異、可彎曲、制造成本低等優點，具有很好的應用前景。

【摘要】本研究報道了超薄、超柔、高性能的高分子發光二極管和有機光電探測器（OPDS，organic photodetectors），具有很薄的保護層，可以佩戴在皮膚上。裝置的總厚度僅僅3μm，比人體的表皮層還有薄一個數量級。通過將紅色和綠色的PLEDs與OPDs整合在一起，制備了超柔反射式脈搏血氧儀。將該裝置貼到手指上既可實現對人體血氧濃度的測定。皮膚上的七段數碼顯示和顏色指標可以直接使數據在身體上可視化。

【結果與討論】

圖1. 健康監測傳感器，顯示器和超柔PLEDs組成的智能電子皮膚系統。

（A）光電子皮膚系統的示意圖。（B）貼在手指上的超柔有機光學傳感器。 （C）人臉上的東京大學的藍色和兩色圖案照片。亮度可以由操作電壓來改變。（D）紅色七段PLEDs的照片。

圖2. 超柔PLEDs 和 OPDs的性能(所有的測量都在空氣中進行)。

（A）超柔PLED的結構。保護層是由交替的有機(500nm厚的聚對二甲苯)和無機層(200nm厚的氮氧化硅)組成。看著有很多層組成，其實制備工藝很\比較簡單，就像刷漆一樣層一層的刷上去，“刷漆”只是比喻。薄膜加工的方法有旋涂法，，噴墨打印，蒸鍍和印刷等，工藝還是比較簡單的。（B）弄皺的超柔綠色PLED的圖片。表示其柔韌性特別好，可以彎曲變形。（C）OPD（黑線）的量子效率和藍色（藍線）、綠色（綠線）和紅色（紅線）的PLEDs的標準的場致光致發光光譜。

(D)超柔PLEDs的電流密度依賴性的量子效率性能。插圖給出了超柔PLEDs的L-V曲線（E）獨立的超柔的OPD的圖片。（F）在模擬的太陽光下，OPD的光強依賴性的J-V性能。紅，橙，綠，淺藍，藍，紫，灰色和黑色分別代表1000，706，502，400，297，199，和99 W/m2和黑暗條件下的光強度。（G）用模擬太陽光測量得到的超柔OPD的特征。OPD (紅色)光強依賴性的 Voc 和OPD (綠色)光強依賴性的 Jsc 。

表1. 電流效率，操作電壓，色度坐標，以及三色的PLEDs的最大的量子效率。

圖3. 超薄光學器件極大的柔韌性的演示。

（A）貼到預拉伸彈性體上的超薄紅色PLED圖像。該圖像從右側向左表示從皺巴巴的狀態到平坦狀態的轉變。 （B）起皺狀態的PLED的三維圖像。預拉伸值為60％。 （C）綠色PLED的循環拉伸測試。1000次拉伸循環試驗后，光強度是只下降了10％。充分展示了其柔性，可拉伸變形，是柔性器件必備的技能。（D）皺紋狀態下的OPD的開路電壓。插圖顯示了平整和壓縮的OPD。 （E）OPD的循環拉伸測試。經過300拉伸循環測試，特性沒有任何下降。黑色圓圈和紅色三角形分別表示VOC和JSC。插圖給出了OPD的J-V特性（點線，黑暗狀態;實線，綠色照射）。黑色和紅色線分別表示初始狀態和300次拉伸循環后的狀態。

圖4. 超柔有機脈搏血氧儀。

（A）脈搏血氧儀的裝置結構。（B）反射式脈搏血氧儀工作原理。（C）當被綠色PLED照射時，OPD的光強度依賴性的J-V特性。 （D）當紅色PLED照射時，OPD的光強度依賴性的J-V特性。? （E）脈沖波的長期測量。脈沖波是用一個紅色的PLED和OPD測量。（F）PPG信號的空氣穩定性。 PPG信號是使用紅色的PLED和OPD測定。 （G）從OPD輸出的血氧濃度為99％的信號。綠色和紅色的線分別代表當在綠色和紅色PLEDs工作信號。 （H）從OPD輸出的血氧濃度為90％的信號。綠色和紅色的線分別代表當在綠色和紅色PLEDs工作信號。

【總結】該研究中的超薄有機光學系統是超柔有機光學器件的一個代表。隨著技術的進一步發展，超柔有機光學器件將會迎來光明的應用前景。

該成果近期發表在Science Advances 上，論文鏈接：Ultraflexible Organic Photonic Skin（非原網頁讀者，請到材料牛下載）

該文獻解讀由材料人科普團隊學術組CrazySnail投稿，材料牛編輯整理。

歡迎加入材料人科普團隊，一起進行材料頂刊學術動態的跟蹤和報道以及SCI相關知識科普等。加入方式：（1）加入材料人文獻檢索群（410109144），私信管理員“成都-小小（QQ:763044722）”報名；（2）點此處報名。

歡迎各大課題組到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com