美國休斯頓大學余存江Adv. Mater.:完全由可拉伸彈性電子材料制成柔性電子設備

【引言】

在過去的幾十年中，基于晶圓的電子產品的發展，顯著改善了人們的生活質量和生活水平。近年來，電子材料，制造工藝和電子材料的快速發展，使得器件已經從傳統晶圓電子器件向柔性設備過渡。由于這些柔性器件柔軟、可彎曲、可拉伸和可扭曲的機械性能，其在健康監視器，醫療植入物，人造皮膚，人機界面，可穿戴物聯網等方面具有很好的應用前景。

作為電子器件的核心和基本構建模塊，由半導體，導體和電介質構成的晶體管是實現開關和放大等功能的關鍵。為了使晶體管可拉伸，相關的電子材料需要是可拉伸的，或者需要在晶體管設計中包括特殊的機械結構和布局。迄今為止，用于可拉伸電子設備的主要半導體是傳統半導體或新興半導體。然而，這些材料，無論是無機物還是有機物，在機械上都是不可拉伸的。使這些不可拉伸的半導體可拉伸的現有策略主要涉及利用這些材料創建特殊的結構，例如平面外皺紋，平面內蛇形，具有可變形互連的剛性區域，以及kirigami架構，以消除機械應變。然而，這些方法需要復雜的結構設計，復雜的制造工藝，或由于可拉伸的互連而消耗大面積，所有這些都在高密度集成，封裝，相關的高成本和大規模生產中帶來了實質性挑戰。

【成果簡介】

美國休斯頓大學余存江教授按照以下順序介紹了橡膠電子產品的最新進展，其中包括以下四個分類：1）橡膠狀導體，2）橡膠狀半導體，3）橡膠電介質，以及4）橡膠電子產品。每個部分概述了相應橡膠電子元件或器件的重要性和背景，然后介紹了代表性的研究工作。最后，作者通過討論橡膠電子產品的挑戰和未來機遇做了一個總結。該成果以題為“Rubbery Electronics Fully Made of Stretchable Elastomeric Electronic Materials”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.可拉伸的導電聚合物

a）一些導電聚合物的化學結構

b）用不同濃度的DMSO和Zonyl破壞PEDOT:PSS的應變（左）和薄層電阻（右）

c）典型PEDOT：PSS膜（頂部）和（底部）優良導電可拉伸PEDOT膜的形態示意圖

d）高密度可拉伸FET陣列分別在平坦表面和球形物體上拉伸

Figure 2.0D納米材料基橡膠導體

a）基于NP的橡膠狀導體的TEM圖像，其在不同的單軸應變水平下具有自對準（從0％到50％）

b）SU-8模具的SEM圖像（左），微通道（中間）的光學圖像，有和沒有拉伸的SAD（右）

c）液態金屬填充的超伸展導電纖維，拉伸到其初始長度的10倍

Figure 3.基于1D和2D納米材料的橡膠導體

a）通過高密度脈沖光技術制造的AgNW/PU復合物的傾斜SEM圖像

b）嵌入PDMS膜中的垂直AuNW的制造過程的示意圖和50％應變下的垂直AuNW/PDMS復合物的SEM圖像

c）混合Ag-MWNT復合材料的示意圖和SEM圖像

d）初始時的AuNS/SBS復合膜的SEM圖像，在100次循環后在ε=1.0下應變，并且恢復條件

e）具有和不具有表面活性劑的微米級Ag薄片基橡膠狀導體的光學顯微鏡和SEM圖像

f）顯示由微米級Ag薄片原位合成的AgNP的示意圖

Figure 4.非可伸縮的聚合物半導體

a）P3HT-PE二嵌段共聚物的化學結構（頂部）和具有不同比率的P3HT和PE（底部）的膜的應力-應變曲線

b）三嵌段共聚物P3HT-PMA-P3HT的化學結構（頂部）和聚合物的應力-應變曲線

c）含有10mol％間隔基的DPP基半導體聚合物的化學結構（頂部）和在通道長度方向上平行（底部，左側）和垂直（底部，右側）的機械應變下聚合物膜的歸一化場效應遷移率

d）基于DPP的聚合物的化學結構，其具有非共軛間隔物（頂部），光伏特性（底部，左側）和聚合物的光轉換效率（底部，右側）

e）三種不同的基于噻吩DPP的聚合物的化學結構和基于P3的晶體管的遷移率

f）具有不同側鏈的P3HT的化學結構（頂部），P3HT:PCBM和P3DDT:PCBM薄膜的機械應變圖像

g）具有不同長度的碳硅烷側鏈的PII2T基聚合物的化學結構（頂部）和在各種應變水平下的聚合物薄膜的場效應遷移率（底部）

Figure 5.通過混合不同共軛聚合物的可拉伸半導體復合材料

a）有機半導體的化學結構/示意圖（左）和拉伸模量圖（右）

b）具有聚合物的化學結構（左）和在共混膜中的飽和場效應遷移率的膜形成的示意圖，其中所施加的應變用于平行于應變方向的電荷傳輸

Figure 6.將共軛聚合物與非共軛聚合物混合得到的可共軛的半導體復合材料

a）根據機械應變（右），可拉伸有機半導體（左）和均聚P3HT TFT和10wt％P3HT共混TFT器件性能的示意圖

b）在PDMS基板（頂部）上旋涂的可拉伸P3HT-NF/PDMS半導體的AFM圖像和在各種機械變形下的膜（右）

c）代表性TEM圖像（左，上），在SEBS中縮進的P3HT-NFs束的相位模式AFM圖像（左，下），以及在不同機械應變下的1wt％P3HT混合TFT器件的轉移曲線（右）

d）具有70wt％SEBS（左）的橡膠狀半導體復合膜的頂部和底部界面的AFM相圖像和具有高達100％的應變的導通電流和遷移率的變化，兩者平行于（實心圓）并垂直于（空心圓圈）電荷傳輸方向（右）

e）IPN結構的形成和SEM和AFM圖像的示意圖（左），具有應變（中間）的透明晶體管陣列的照片，以及在0％，100％應變和釋放后的晶體管的遷移率變化（右）

Figure 7.彈性體

a）完全可拉伸的5×5有機晶體管陣列（左）的照片和具有PDMS電介質的單個晶體管的結構（右）

b）印刷的可拉伸TFT的示意圖，其中BaTiO3/PDMS復合材料作為柵極電介質（左），BaTiO3/PDMS復合材料與BaTiO3 NPs的各種體積含量的相對介電常數（右），以及50％拉伸裝置的圖像 （底部）

c）熱塑性PU（TPU）柵控晶體管（左）和扭曲裝置圖像（右）的示意圖

d）具有SEBS電介質（左）的設備傳輸過程以及無應變和60％拉伸設備的圖像（右）

e）示意圖（左）顯示SEBS門控完全可拉伸的晶體管，當連接到手背（右）時具有類似皮膚的性質

Figure 8.離子凝膠門控晶體管

a）三層石墨烯FET的顯微鏡圖像，其中沿著通道的縱向具有5％應變的離子凝膠電介質（左）和PDMS基板上的拉伸石墨烯FET的典型轉移曲線（右）

b）具有三嵌段共聚物和離子液體的MoS2 TFT示意圖（左），以及各種應變下MoS2 TFT的轉移特性（右）

c）在50％拉伸之前和之后的自立式離子凝膠電介質的圖像（左）和離子凝膠門控TFT的示意圖（右）

d）沿著基于PVDF-HFP/EMIM-TFSI的離子凝膠門控橡膠晶體管的溝道長度方向（右）的不同機械應變下的光學圖像（左）和傳輸特性

Figure 9.橡膠晶體管和集成電子器件

a）橡膠狀晶體管（左）的光學圖像及其沿溝道長度方向（右）在50％應變下的傳輸性能

b）雙軸可伸縮橡膠晶體管陣列的傾斜視圖

c）制造的高性能橡膠晶體管陣列（左，上）的光學圖像，完全橡膠觸覺感應皮膚（左，下）的光學圖像/映射結果，以及邏輯門（右）的光學圖像/電特性

d）粘附并符合人類手掌的高密度可拉伸晶體管陣列對合成瓢蟲（頂部）的六個導電腿進行電檢測，并且光學顯微鏡圖像/本征可拉伸NAND和放大器的輸出輸入特性沒有和具有100％應變（底部）

e）在拉伸循環（頂部）和損傷愈合循環（底部）期間可拉伸晶體管的場效應遷移率

f）可伸展的與應變無關的溫度傳感器的光學照片，其共形地集成在手腕（頂部）上，并且在重復彎曲變形（底部）期間具有穩定的性能

Figure 10.橡膠光電器件

a）超彈性發光電容器（HLEC）的結構和圍繞鉛筆末端纏繞的可拉伸HLEC的圖像（左）和可以基于外部和內部刺激動態改變其顏色的軟機器人（ 右）

b）各種應變下的電致發光器件的照片

c）封裝的完全可拉伸的EPLED顯示器的示意圖，包括5×5像素（左）和展示平頂（中間）和拉伸（右）狀態的EPLED顯示器

Figure 11.橡膠光探測器

a）光探測器的示意圖和SEM圖像（左）。在扭曲條件下，在PDMS基板上的可拉伸光探測器陣列的圖像，以及在各種應變下光探測器的動態光響應（右）

b）可拉伸透明UV光電探測器的示意圖（左）。可拉伸UV光電探測器在不同拉伸條件下（中間）的圖像，以及各種應變下光電探測器的動態光響應（右）

Figure 12.橡膠壓力傳感器

a）通過噴嘴噴射印刷方法（左）制造多孔壓敏橡膠和包裹在前臂（右）上的壓力傳感器的圖像示意圖

b）壓力傳感器的示意圖（左）和檢測鹽粒的動態響應曲線（右）

c）離子皮膚壓力傳感器裝置（頂部）的橫截面示意結構，以及響應于兩個20g重物（底部）的壓力傳感器陣列的相對電容變化

Figure 13.橡膠應變傳感器

a）橡膠應變傳感器的分解示意圖。 插圖是應變傳感器的照片（左），帶有橡膠應變傳感器的手套照片（中間），并且在握緊的拳頭運動（右）下繪制應變傳感器的歸一化電阻變化（ΔR/Ro）

b）基于水凝膠-AgNF納米復合材料的電容型應變傳感器的結構示意圖（左），b-水凝膠應變傳感器的照片顯示出優異的拉伸性（右，頂部）和b-水凝膠應變的時間依賴性電容傳感器（右，底）

Figure 14.橡膠溫度傳感器

a）透明和可拉伸門控溫度傳感器（頂部）的示意圖，機械變形下的裝置的光學圖像（中間），在不同溫度（底部，左側）測量的裝置的傳遞特性，以及傳感器對熱水的電流響應 （下，右）

b）溫度傳感器（頂部，左側）的示意圖，溫度傳感器相對于不同溫度（頂部，右側）的相對電阻變化，機器人手的照片，溫度傳感器接觸熱（中間，左側） ）和冷（中，右）杯，測量傳感器響應，而人工皮膚交替接觸冷熱杯（底部）

Figure 15.橡膠化學電阻器和濕度傳感器

a）基于TPU聚合物基質與離子液體[EMIM] [TFSI]（頂部）的離子化學電阻器表皮的示意圖，以及該裝置對各種目標揮發性有機化合物的動態傳感行為，包括甲苯，己烷，丙醇，乙醇和 丙酮（底部）。

b）當濕度逐漸增加（從10％到70％）（底部）時，可拉伸濕度傳感器（頂部）的示意圖和可拉伸濕度傳感器中的電阻變化

【小結】

在這篇綜述中，作者總結了可拉伸的橡膠電子材料的最新進展，包括導體，半導體和電介質。這些合理組織和組裝的橡膠電子材料已經實現了橡膠電子產品，包括各種有源電子器件和傳感器。從橡膠電子材料構建可拉伸電子產品是可拉伸電子和電子產品的新技術途徑。與基于不可拉伸材料的可拉伸電子器件相比，橡膠電子器件由于其物理性質和機械特性而具有許多獨特的優點。例如，橡膠電子器件可以以無縫方式自然地與軟生物系統（例如器官，組織）整合。雖然它們的發展相對較新，但橡膠電子已經在許多領域展示了它們很有前途的用途，例如生物醫學，可穿戴設備和機器人等。

Rubbery Electronics Fully Made of Stretchable Elastomeric Electronic Materials

(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902417)

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