美国休斯顿大学余存江Adv. Mater.:完全由可拉伸弹性电子材料制成柔性电子设备

【引言】

在过去的几十年中，基于晶圆的电子产品的发展，显著改善了人们的生活质量和生活水平。近年来，电子材料，制造工艺和电子材料的快速发展，使得器件已经从传统晶圆电子器件向柔性设备过渡。由于这些柔性器件柔软、可弯曲、可拉伸和可扭曲的机械性能，其在健康监视器，医疗植入物，人造皮肤，人机界面，可穿戴物联网等方面具有很好的应用前景。

作为电子器件的核心和基本构建模块，由半导体，导体和电介质构成的晶体管是实现开关和放大等功能的关键。为了使晶体管可拉伸，相关的电子材料需要是可拉伸的，或者需要在晶体管设计中包括特殊的机械结构和布局。迄今为止，用于可拉伸电子设备的主要半导体是传统半导体或新兴半导体。然而，这些材料，无论是无机物还是有机物，在机械上都是不可拉伸的。使这些不可拉伸的半导体可拉伸的现有策略主要涉及利用这些材料创建特殊的结构，例如平面外皱纹，平面内蛇形，具有可变形互连的刚性区域，以及kirigami架构，以消除机械应变。然而，这些方法需要复杂的结构设计，复杂的制造工艺，或由于可拉伸的互连而消耗大面积，所有这些都在高密度集成，封装，相关的高成本和大规模生产中带来了实质性挑战。

【成果简介】

美国休斯顿大学余存江教授按照以下顺序介绍了橡胶电子产品的最新进展，其中包括以下四个分类：1）橡胶状导体，2）橡胶状半导体，3）橡胶电介质，以及4）橡胶电子产品。每个部分概述了相应橡胶电子元件或器件的重要性和背景，然后介绍了代表性的研究工作。最后，作者通过讨论橡胶电子产品的挑战和未来机遇做了一个总结。该成果以题为“Rubbery Electronics Fully Made of Stretchable Elastomeric Electronic Materials”发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.可拉伸的导电聚合物

a）一些导电聚合物的化学结构

b）用不同浓度的DMSO和Zonyl破坏PEDOT:PSS的应变（左）和薄层电阻（右）

c）典型PEDOT：PSS膜（顶部）和（底部）优良导电可拉伸PEDOT膜的形态示意图

d）高密度可拉伸FET阵列分别在平坦表面和球形物体上拉伸

Figure 2.0D纳米材料基橡胶导体

a）基于NP的橡胶状导体的TEM图像，其在不同的单轴应变水平下具有自对准（从0％到50％）

b）SU-8模具的SEM图像（左），微通道（中间）的光学图像，有和没有拉伸的SAD（右）

c）液态金属填充的超伸展导电纤维，拉伸到其初始长度的10倍

Figure 3.基于1D和2D纳米材料的橡胶导体

a）通过高密度脉冲光技术制造的AgNW/PU复合物的倾斜SEM图像

b）嵌入PDMS膜中的垂直AuNW的制造过程的示意图和50％应变下的垂直AuNW/PDMS复合物的SEM图像

c）混合Ag-MWNT复合材料的示意图和SEM图像

d）初始时的AuNS/SBS复合膜的SEM图像，在100次循环后在ε=1.0下应变，并且恢复条件

e）具有和不具有表面活性剂的微米级Ag薄片基橡胶状导体的光学显微镜和SEM图像

f）显示由微米级Ag薄片原位合成的AgNP的示意图

Figure 4.非可伸缩的聚合物半导体

a）P3HT-PE二嵌段共聚物的化学结构（顶部）和具有不同比率的P3HT和PE（底部）的膜的应力-应变曲线

b）三嵌段共聚物P3HT-PMA-P3HT的化学结构（顶部）和聚合物的应力-应变曲线

c）含有10mol％间隔基的DPP基半导体聚合物的化学结构（顶部）和在通道长度方向上平行（底部，左侧）和垂直（底部，右侧）的机械应变下聚合物膜的归一化场效应迁移率

d）基于DPP的聚合物的化学结构，其具有非共轭间隔物（顶部），光伏特性（底部，左侧）和聚合物的光转换效率（底部，右侧）

e）三种不同的基于噻吩DPP的聚合物的化学结构和基于P3的晶体管的迁移率

f）具有不同侧链的P3HT的化学结构（顶部），P3HT:PCBM和P3DDT:PCBM薄膜的机械应变图像

g）具有不同长度的碳硅烷侧链的PII2T基聚合物的化学结构（顶部）和在各种应变水平下的聚合物薄膜的场效应迁移率（底部）

Figure 5.通过混合不同共轭聚合物的可拉伸半导体复合材料

a）有机半导体的化学结构/示意图（左）和拉伸模量图（右）

b）具有聚合物的化学结构（左）和在共混膜中的饱和场效应迁移率的膜形成的示意图，其中所施加的应变用于平行于应变方向的电荷传输

Figure 6.将共轭聚合物与非共轭聚合物混合得到的可共轭的半导体复合材料

a）根据机械应变（右），可拉伸有机半导体（左）和均聚P3HT TFT和10wt％P3HT共混TFT器件性能的示意图

b）在PDMS基板（顶部）上旋涂的可拉伸P3HT-NF/PDMS半导体的AFM图像和在各种机械变形下的膜（右）

c）代表性TEM图像（左，上），在SEBS中缩进的P3HT-NFs束的相位模式AFM图像（左，下），以及在不同机械应变下的1wt％P3HT混合TFT器件的转移曲线（右）

d）具有70wt％SEBS（左）的橡胶状半导体复合膜的顶部和底部界面的AFM相图像和具有高达100％的应变的导通电流和迁移率的变化，两者平行于（实心圆）并垂直于（空心圆圈）电荷传输方向（右）

e）IPN结构的形成和SEM和AFM图像的示意图（左），具有应变（中间）的透明晶体管阵列的照片，以及在0％，100％应变和释放后的晶体管的迁移率变化（右）

Figure 7.弹性体

a）完全可拉伸的5×5有机晶体管阵列（左）的照片和具有PDMS电介质的单个晶体管的结构（右）

b）印刷的可拉伸TFT的示意图，其中BaTiO3/PDMS复合材料作为栅极电介质（左），BaTiO3/PDMS复合材料与BaTiO3 NPs的各种体积含量的相对介电常数（右），以及50％拉伸装置的图像 （底部）

c）热塑性PU（TPU）栅控晶体管（左）和扭曲装置图像（右）的示意图

d）具有SEBS电介质（左）的设备传输过程以及无应变和60％拉伸设备的图像（右）

e）示意图（左）显示SEBS门控完全可拉伸的晶体管，当连接到手背（右）时具有类似皮肤的性质

Figure 8.离子凝胶门控晶体管

a）三层石墨烯FET的显微镜图像，其中沿着通道的纵向具有5％应变的离子凝胶电介质（左）和PDMS基板上的拉伸石墨烯FET的典型转移曲线（右）

b）具有三嵌段共聚物和离子液体的MoS2 TFT示意图（左），以及各种应变下MoS2 TFT的转移特性（右）

c）在50％拉伸之前和之后的自立式离子凝胶电介质的图像（左）和离子凝胶门控TFT的示意图（右）

d）沿着基于PVDF-HFP/EMIM-TFSI的离子凝胶门控橡胶晶体管的沟道长度方向（右）的不同机械应变下的光学图像（左）和传输特性

Figure 9.橡胶晶体管和集成电子器件

a）橡胶状晶体管（左）的光学图像及其沿沟道长度方向（右）在50％应变下的传输性能

b）双轴可伸缩橡胶晶体管阵列的倾斜视图

c）制造的高性能橡胶晶体管阵列（左，上）的光学图像，完全橡胶触觉感应皮肤（左，下）的光学图像/映射结果，以及逻辑门（右）的光学图像/电特性

d）粘附并符合人类手掌的高密度可拉伸晶体管阵列对合成瓢虫（顶部）的六个导电腿进行电检测，并且光学显微镜图像/本征可拉伸NAND和放大器的输出输入特性没有和具有100％应变（底部）

e）在拉伸循环（顶部）和损伤愈合循环（底部）期间可拉伸晶体管的场效应迁移率

f）可伸展的与应变无关的温度传感器的光学照片，其共形地集成在手腕（顶部）上，并且在重复弯曲变形（底部）期间具有稳定的性能

Figure 10.橡胶光电器件

a）超弹性发光电容器（HLEC）的结构和围绕铅笔末端缠绕的可拉伸HLEC的图像（左）和可以基于外部和内部刺激动态改变其颜色的软机器人（ 右）

b）各种应变下的电致发光器件的照片

c）封装的完全可拉伸的EPLED显示器的示意图，包括5×5像素（左）和展示平顶（中间）和拉伸（右）状态的EPLED显示器

Figure 11.橡胶光探测器

a）光探测器的示意图和SEM图像（左）。在扭曲条件下，在PDMS基板上的可拉伸光探测器阵列的图像，以及在各种应变下光探测器的动态光响应（右）

b）可拉伸透明UV光电探测器的示意图（左）。可拉伸UV光电探测器在不同拉伸条件下（中间）的图像，以及各种应变下光电探测器的动态光响应（右）

Figure 12.橡胶压力传感器

a）通过喷嘴喷射印刷方法（左）制造多孔压敏橡胶和包裹在前臂（右）上的压力传感器的图像示意图

b）压力传感器的示意图（左）和检测盐粒的动态响应曲线（右）

c）离子皮肤压力传感器装置（顶部）的横截面示意结构，以及响应于两个20g重物（底部）的压力传感器阵列的相对电容变化

Figure 13.橡胶应变传感器

a）橡胶应变传感器的分解示意图。 插图是应变传感器的照片（左），带有橡胶应变传感器的手套照片（中间），并且在握紧的拳头运动（右）下绘制应变传感器的归一化电阻变化（ΔR/Ro）

b）基于水凝胶-AgNF纳米复合材料的电容型应变传感器的结构示意图（左），b-水凝胶应变传感器的照片显示出优异的拉伸性（右，顶部）和b-水凝胶应变的时间依赖性电容传感器（右，底）

Figure 14.橡胶温度传感器

a）透明和可拉伸门控温度传感器（顶部）的示意图，机械变形下的装置的光学图像（中间），在不同温度（底部，左侧）测量的装置的传递特性，以及传感器对热水的电流响应 （下，右）

b）温度传感器（顶部，左侧）的示意图，温度传感器相对于不同温度（顶部，右侧）的相对电阻变化，机器人手的照片，温度传感器接触热（中间，左侧） ）和冷（中，右）杯，测量传感器响应，而人工皮肤交替接触冷热杯（底部）

Figure 15.橡胶化学电阻器和湿度传感器

a）基于TPU聚合物基质与离子液体[EMIM] [TFSI]（顶部）的离子化学电阻器表皮的示意图，以及该装置对各种目标挥发性有机化合物的动态传感行为，包括甲苯，己烷，丙醇，乙醇和 丙酮（底部）。

b）当湿度逐渐增加（从10％到70％）（底部）时，可拉伸湿度传感器（顶部）的示意图和可拉伸湿度传感器中的电阻变化

【小结】

在这篇综述中，作者总结了可拉伸的橡胶电子材料的最新进展，包括导体，半导体和电介质。这些合理组织和组装的橡胶电子材料已经实现了橡胶电子产品，包括各种有源电子器件和传感器。从橡胶电子材料构建可拉伸电子产品是可拉伸电子和电子产品的新技术途径。与基于不可拉伸材料的可拉伸电子器件相比，橡胶电子器件由于其物理性质和机械特性而具有许多独特的优点。例如，橡胶电子器件可以以无缝方式自然地与软生物系统（例如器官，组织）整合。虽然它们的发展相对较新，但橡胶电子已经在许多领域展示了它们很有前途的用途，例如生物医学，可穿戴设备和机器人等。

Rubbery Electronics Fully Made of Stretchable Elastomeric Electronic Materials

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

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。 

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