鲍哲南Science ：基于纳米限域的高伸缩性聚合物半导体薄膜（附视频）

lixiaoyi 8年前 (2017-01-12) 11257浏览

【引言】

电子生物医学应用，如生理监测、植入治疗、电子皮肤、和人机接口、必须与生物组织机械相容，具有低模量、柔性、可拉伸等特点。基于几何设计的几种方法，例如带扣结构、波状图案等，赋予电子器件以可拉伸性并且具有用于各种可穿戴应用的潜力，然而现有的可拉伸半导体通常是以牺牲电荷传输移动性以实现拉伸性。

【成果简介】

近期，斯坦福大学鲍哲南教授（通讯作者）和三星先进技术研究院的Jong Won Chung（通讯作者）等人通过探索基于聚合物的纳米限域的概念，以显着地改善聚合物半导体的拉伸性，而不影响电荷传输迁移率。在纳米限域下增加的聚合物链动力学显着降低共轭聚合物的模量，并大大延迟在应变下的裂纹形成的开始。基于上述原理，他们制备的半导体膜可以拉伸到100％应变，而不影响迁移率，保持值与非晶硅相当。他们展示的完全可拉伸的晶体管表现出高的双轴拉伸性，即使用锋利的物体戳刺时，导通电流的变化也很小，此外，他们还展示了一个皮肤般的手指可穿戴的发光二极管驱动。

【图文导读】

图1 通过CONPHINE方法提高聚合物半导体膜拉伸性的纳米限域效应

(A) 由高分子半导体的嵌入式纳米级网络组成的以实现高拉伸性的预期形态3D示意图，其可以用于构造高度可拉伸和耐磨的TFT

(B) 半导体聚合物DPPT-TT（标记为1）和SEBS弹性体的化学结构。

(C)用于研究纳米限域效应的DPPT-TT的三个模型膜（即增加的链动力学和抑制的结晶）

(D) 厚、薄和纳米纤维膜的玻璃化转变温度

(E) 对于三个模型膜和具有70％SEBS膜的CONPHINE-1沿着qxy轴的XRD线切割，通过DPPT-TT层的曝光时间和体积以及偏移实现标准化

(F) 模型膜的弹性模量，塑性的起始应变和开裂应变，以及纳米纤维膜的模拟模量。弹性模量和起始应变的误差条分别表示标准偏差和测量误差的范围

(G)具有70％重量的iSEBS的CONPHINE-1膜的顶、底部界面AFM相图像

(H) CONPHINE-1膜形态的3D示意图

(I) 在0％应变下并在橡胶基材上拉伸至100％应变的CONPHINE-1膜（蓝色区域）的照片

图2 在不同应变下半导体膜的拉伸性和电性能的表征

(A) 支撑在PDMS基底上的半导体膜的拉伸的示意图

(B) 在100％应变下的NEAT-1膜（左）和CONPHINE-1膜（中）的光学显微镜图像及AFM相图像（右）显示CONPHINE-1膜中的颜色变化不是由于裂纹导致的

(D)从CONPHINE-1膜和处于其原始状态（i），在平行于电荷传输方向的100％应变下（ii），和在100％应变下垂直电荷传输方向（iii）的纯-1膜获得的转移曲线（漏电压为-80V）

(E、F) 在不同应变下，平行（E）和垂直（F）于电荷传输方向的CONPHINE-1膜（蓝色）和净-1膜

(G) 将本研究中拉伸应变下获得的迁移率与先前报道的结果进行比较

(H) CONPHINE-1膜（绿色）和纯-1膜（黑色）的电子移动性与100％应变拉伸循环的函数关系平行于电荷传输方向

图3由CONPHINE-1膜制成的完全可拉伸的晶体管

(A) 器件结构（沟道长度：200mm；沟道宽度：4mm；介电电容：15mF / m 2）

(B)图像表明晶体管的透明度（左）和当附着在手背（中间）上时呈现皮肤性质，以及如SEM图像中所示的适形性（右）

(D) 来自完全可拉伸晶体管阵列中的20个器件的迁移率分布

(E) 100％的应变下，导通电流和迁移率的变化（用测量的器件几何形状和在应变下的介电电容计算（表S3）；（F）中的值同理），两者平行于（实心圆）和垂直于（空心圆）电荷传输方向

(F) 沿着电荷传输方向25％应变下的多个拉伸-释放循环（高达1000个循环）之后的导通电流，截止电流和迁移率的变化

(G) 完全可拉伸TFT在顺序拉伸，扭曲和用锋利物体戳刺时的漏极电流（ID）和栅极电流（IG）

(H) 充分拉伸晶体管作为LED的手指可佩戴驱动器的演示

图4在四种不同的共轭半导体聚合物上应用CONPHINE方法以改善它们的拉伸性

(A-D) （A）P-29-DPPDTSE（2）、（B）PffBT4T-2DT（3）、（C）P（DPP2TTVT）（4）和（D）PTDPPTFT4（5）的聚合物的纯共轭聚合物膜（中间）和对应的CONPHINE膜（右）的光学显微照片，其化学结构如左侧所示。比例尺20 mm。在100％应变下的CONPHINE膜表现出不均匀的厚度，但没有由于塑性变形而产生的裂纹

(E) 在两个图中具有相同的垂直轴的纯聚合物膜（左）和相应的CONPHINE膜（右）在100％应变下的转移曲线（VD = -80V）

(F) 100％应变下，共轭聚合物的纯膜（灰色）和相应的CONPHINE膜（绿色）的标准化迁移率

【展望】

聚合物纳米限域使得半导体材料具有高的可拉伸性。文章介绍的CONPHINE方法可创建具有增加的链动力学和减少嵌入的结晶度的共轭聚合物纳米结构以保持拉伸过程中的迁移率。这种一般方法将推进用于可拉伸电子皮肤应用的可拉伸半导体的开发。