資料圖：類皮膚彈性半導(dǎo)體
近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)研究人員首次制備出一種可用于制作晶體管的可自愈彈性聚合物，為新一代可穿戴設(shè)備開(kāi)辟了道路，相關(guān)論文日前在《自然》期刊發(fā)表，《自然》同期評(píng)論文章中表示，該研究實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜有機(jī)電子表面模仿人類皮膚，是仿生學(xué)發(fā)展的一座里程碑。
斯坦福大學(xué)研究人員通過(guò)將剛性半導(dǎo)體聚合物與柔性材料結(jié)合，制作出了像人體皮膚一樣可以拉伸、形成褶皺、自我愈合的半導(dǎo)體，能夠用于可穿戴設(shè)備、電子皮膚乃至柔性機(jī)器人。
這種新的聚合物在拉伸到原來(lái)尺寸的兩倍以后，仍然保持原有的導(dǎo)電性能，與非晶硅的導(dǎo)電性能一致（非晶硅是制作控制液晶顯示像素的晶體管陣列時(shí)會(huì)用到的材料）。
研究人員表示，制作彈性半導(dǎo)體聚合物一直以來(lái)都是個(gè)難題。彈性材料的典型設(shè)計(jì)規(guī)則是讓材料更軟、結(jié)晶度更低。但一般的高性能半導(dǎo)體聚合物，都需要高度結(jié)晶且硬度較高，導(dǎo)致材料硬且脆，容易碎裂。
為解決這個(gè)難題，研究人員首先使用含有二酮吡咯并吡咯（DPP）單元的聚合物（DPP中大量的碳鍵使其硬度和結(jié)晶度高）；然后，在不改變聚合物整體導(dǎo)電性能的前提下，替換掉5%~10%的DPP，通過(guò)減少碳鍵的數(shù)量使材料變得更軟；最后，研究人員再往其中加入另外一種更軟、很容易形成氫鍵的彈性聚合物。由此得到了一種全新的材料。拉伸這種新材料時(shí)，里面的化學(xué)鍵會(huì)斷開(kāi)吸收機(jī)械能，而應(yīng)力釋放時(shí)，這些鍵又會(huì)重新結(jié)合起來(lái)。
這種彈性晶體管材料由兩部分組成：一是剛性的半導(dǎo)體，二是連接這些半導(dǎo)體的無(wú)定形鏈。拉伸時(shí)，無(wú)定形鏈間由氫鍵連接，收縮時(shí)氫鍵斷裂吸收機(jī)械應(yīng)力。該材料經(jīng)過(guò)1000次拉伸循環(huán)后（拉伸至雙倍尺寸又重新縮回），開(kāi)始出現(xiàn)一些裂紋，導(dǎo)電性也輕微降低。但使用溶劑蒸汽處理150℃的熱板上加熱之后，該材料可以自我愈合，并且?guī)缀跬耆謴?fù)原本的導(dǎo)電性能。
研究人員已經(jīng)使用該聚合物制造出可以穿戴在肘部和踝部的彈性晶體管。研究團(tuán)隊(duì)正在從事將這種材料納入傳感器的研究，希望以后能開(kāi)發(fā)出柔性可穿戴顯示器。
可伸縮聚合物導(dǎo)體和絕緣體材料早已得到廣泛應(yīng)用，而合成具有可拉伸性質(zhì)的半導(dǎo)體是世界首例，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)將高彈性、自愈合和高效電荷傳輸性能“集成”進(jìn)新型高分子材料中，實(shí)現(xiàn)了材料學(xué)、仿生學(xué)和電子學(xué)的重大突破，為新一代類皮膚可穿戴設(shè)備研制奠定基礎(chǔ)。
