鮑哲南nature：基于本征可拉伸晶體管陣列可擴展制備工藝的類皮膚電子器件

【引言】

類皮膚電子器件可無縫附著于人體皮膚或身體內，其被健康監測、醫療診斷、醫學植入和生物學研究，以及人-機交互、柔性機器人和增強現實技術等應用寄予厚望。使上述電子器件柔性可拉伸功能，可使它們穿戴起來更舒適，此外，還可增加接觸面積，極大地增加皮膚信號采集的保真度。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學鮑哲南教授研究團隊開發了可對不同本征可拉伸材料實現高成品率和器件性能均勻的制備工藝，并實現了晶體管密度為347/ cm²的內在可拉伸聚合物晶體管陣列，這是迄今為止在所有已報道的柔性可拉伸晶體管陣列中的最高密度。該陣列的平均載流子遷移率可與非晶硅相當，在經過1000次100%應變循環測試后也只有輕微改變，同時，還無電流-電壓遲滯。

基于上述制造工藝，該團隊首次研發出皮膚一樣屬性的可拉伸集成電路元件，如有源陣列與傳感器陣列集成的可拉伸觸覺電路，可粘附到人體皮膚表面，使柔性電子裝置佩戴或使用更加舒適。其所開發的工藝為結合其他內在可拉伸聚合物材料提供了一個通用加工平臺，使制造下一代可拉伸類皮膚電子器件成為可能。

【圖文導讀】

圖1 可拉伸晶體管陣列作為類皮膚電子器件的核心部分

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（a）可拉伸晶體管陣列作為類皮膚電子器件的核心部分的三維示意圖

（b）指尖上包含108個可拉伸晶體管陣列，展示了迄今為止的最高密度：347/cm²

（c）粘貼在手腕上面積為4.4 4.4 包含6300個可拉伸晶體管的大面積陣列

圖2 可拉伸晶體管陣列制備方法

（a）制備流程圖

（b）頂圖：疊氮交聯反應，由紫外光引發的，基于疊氮基與CH基團的反應；中圖：彈性體中的聚合物鏈網絡（藍色，矩形平面代表剛性部分；曲折線代表柔軟部分）通過疊氮化物（紅色）交聯成三維網絡；底圖：疊氮化物交聯劑的化學結構，疊氮交聯是光學圖形化可拉伸介電層的一種普遍適用的策略

（c）基于刻蝕方法圖形化可拉伸半導體層工藝，利用銅掩模版作為保護層，氟化聚合物薄膜作犧牲層

（d）基于打印方法的圖形化可拉伸半導體層工藝

（e）性能表征及所展示的可拉伸晶體管陣列的單個晶體管模型

（f）含有108個晶體管的晶體管陣列光學圖像，標尺：1mm

（g）單個晶體管放大圖

圖3 可拉伸晶體管陣列的電學性能及可拉伸性能

（a）晶體管無應變下的特征曲線顯示了很小的電流遲滯，所加源漏電壓：-30V

（b）含有108個晶體管陣列中的102個可工作晶體管得電流和閾值電壓直方圖

（c）每個位置的晶體管電荷載流子遷移率顯示圖

（d）在平行（頂部）和垂直（底部）溝道方向，晶體管陣列從0%到100%應變并釋放的光學顯微圖像，標尺：250μm

（e）頂圖：晶體管陣列被被拉伸至100%應變的應力分布計算圖；底圖：介電層的底面剪切應力和垂直應力分布（40%應變）

（f、g）平行于溝道（f）、垂直于溝道（g）的單個拉伸周期下的遷移率及閾值電壓

（h、i）平行于溝道（h）、垂直于溝道（i）的1000個拉伸周期中100%應變及釋放狀態下的遷移率和電流

圖4 適用于類皮膚電子的可拉伸電路

（a）可拉伸晶體管陣列集成的可拉伸有源矩陣，標尺：1mm。插圖為從晶體管的特征曲線

（b）可拉伸有源矩陣中的觸覺傳感器陣列示意圖

（c）觸覺傳感器陣列緊密附著在手心，可準確感知人造瓢蟲位置

（d）電流成像顯示可準確感知人造瓢蟲腿的位置

（e）所制備的可拉伸反相器的原始狀態（頂圖）及被拉升至100%應變（底圖）的光學顯微圖像

（f）反相器從0%到100%應變下的轉移曲線

（g）所制備的可拉伸與非門的原始狀態（頂圖）及被拉升至100%應變（底圖）的光學顯微圖像

（h）與非門在0%和100%應變下的輸入-輸出特性

（i）所制備的可拉伸放大器的原始狀態（頂圖）及被拉升至100%應變（底圖）的光學顯微圖像

（j）放大器在0%、50%和100%應變下對輸入正弦信號的放大

（k）使用可拉伸放大器對可拉伸應力傳感器的動脈監測信號進行放大

（l）放大前后的動脈監測信號

【小結】

此前的柔性電子技術基本通過犧牲電子器件密度來實現剛性和易碎材料的拉伸，有很大局限性，且制造工藝復雜，本文工作首次成功開發出用于有機材料的制備工藝，并用其制備出具有信號處理和計算功能的可拉伸晶體管陣列。此外，所報道的制作工藝為未來材料應用至類皮膚功能電子電路中提供了加工平臺，甚至有可能賦予柔性電子皮膚“超越”柔軟性和可變形性等更多功能。

文獻鏈接：Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array（Nature, 2018, DOI:10.1038/nature25494）

本文由材料人電子電工學術組李小依供稿，材料牛整理編輯。

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