鲍哲南PNAS: 生物相容并完全可分解的半导体聚合物在超薄超轻瞬态电子器件中的应用

【引言】

持续增长的性能需求和消费电子器件较短的使用寿命直接造成了电子器件废弃数量的增长。当前，消费电子器件一般使用不能分解、非生物相容性的材料，有时甚至使用了有毒的材料，这导致了全球范围严重的生态挑战。为解决这些问题，瞬态电子器件或“绿色”电子器件成为了一种新兴的技术，其在使用过或处理后可以物理分解，具有环境友好的特点。除此之外，瞬态电子器件也开辟了一个新的应用领域，例如可被人体吸收的植入式电子器件和在可控条件下能够完全分解的安全电子器件。共轭聚合物具有机械柔性、可延展以及可在低温下进行液相处理的性质，这使其能够使用卷对卷的制造技术生产低成本、柔性并可延展的电子器件。更为重要的是，有机电子器件对环境温和，在应用领域极具潜力。然而，目前还没有关于完全可分解的聚合物半导体的报道，其具有制作成本低和完全可分解瞬时电子器件的能力。

【成果简介】

近日，来自斯坦福大学的鲍哲南教授（通讯作者）等人报道了一种生物相容并完全可分解的半导体聚合物，并将其应用在了超薄超轻的瞬态电子器件中，相关的研究成果以“Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics”为题发表在了Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。

本文研究的半导体聚合物完全可降解并具有生物兼容性，可用于薄膜晶体管中。这种聚合物由可逆的亚胺键连接，其组成部分可以在温和的酸性条件下轻易分解。此外，超薄、可生物降解并具有较高化学和热稳定性的衬底也被开发出来。结合铁电极，文中也成功制备出了完全可降解和生物兼容性的聚合物晶体管和赝互补金属氧化物半导体（pseudo-CMOS）柔性电路。这种赝互补金属氧化物半导体柔性电路具有超薄和超轻的特点，其开路电压低，并有望应用于低成本、生物兼容以及超轻的瞬态电子器件中。本文是有机材料领域的重要进展，能够广泛应用于环境友好并可降解的电子器件中。

【图文导读】

图1 聚合物基瞬态“绿色”电子器件示意图

（A）瞬态聚合物电子器件中聚合物的合成、器件的制作及分解循环

（B）利用可降解聚合物作为活性材料或衬底的柔性器件

（C）利用亚胺化学合成可分解PDPP-PD

图2 PDPP-PD的降解性和生物兼容性

（A）PDPP-PD降解过程中的吸收光谱变化

（B）在pH为4.6的缓冲溶液中降解前后聚合物薄膜的吸收光谱变化

（C）利用钙黄绿素（calcein-AM）和EthD-1染色后的活HL-1心肌细胞的荧光照片

（D）分别在体外培养2、4和6天后HL-1心肌细胞的存活情况

图3 超薄纤维素薄膜和PDPP-PD聚合物晶体管的表征

（A）厚度为800nm的纤维素薄膜的光透过率

（B）吸收浓度为1 mg/mL的纤维素缓冲液后纤维素薄膜的厚度变化

（C）纤维素薄膜的AFM高度照片

（D）聚合物薄膜的二维切线入射X射线衍射（2D-GIXD）图

（E）在800nm 厚的纤维素衬底上制作的PDPP-PD晶体管的传输和输出特性

图4 基于PDPP-PD的可分解赝CMOS

（A）赝CMOS电路的器件结构

（B）器件在溶解掉右旋糖酐层后浸没在水中的照片

（C）由人发捞起的器件照片

（D）转移到粗糙鳄梨树表面的器件照片

（E）将器件转移到PDMS衬底表面进行电学测量

（F）转移到人类大脑模型表面的器件照片

（G-L）不同逻辑门电路的光学显微镜照片、电路图和输入输出特性

图5 利用铁作为电极的完全可降解电子器件

（A）用于完全可降解电子器件的材料的示意图和器件结构

（B）将铁作为栅极和源漏电极的器件的传输特性

（C）器件在不同降解过程的照片

【小结】

本文制备了可完全分解并具有生物相容性的半导体聚合物和完全可降解的柔性电路。利用可逆亚胺化学得到了具备完全可分解特性的共轭聚合物，其电荷载流子迁移率高，并可用于不同的逻辑门电路中。相比传统的共轭聚合物，其电学特性优异并可进行液相处理。此外，文中还报道了具有高度化学和热稳定性的超薄纤维素薄膜，并应用在了瞬态和可生物分解的电子器件中。并对超轻的赝CMOS逻辑电路和完全降解的聚合物瞬态电子器件进行了研究。本文的工作对于制作环境友好、生物兼容并可分解的电子器件开辟了新的道路。

文献链接：Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics（P. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1701478114）

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