基于空气/水界面自组装技术制备的高度有序半导体聚合物薄膜材料

柔性可拉伸电子器件在健康监测、医疗植入、人造皮肤及人机交互等领域具有广阔的应用前景，近年来发展迅猛。其中橡胶状半导体材料在大拉伸应变状态下仍能保持优异的电学性能，是实现柔可拉伸电子电路多功能化集成不可或缺的重要材料。尤其是具有高的载流子迁移率，并且可以大面积生产制备的橡胶状半导体材料。如何成功的制备出这种半导体材料一直是可穿戴电子领域长期存在的一个巨大挑战。

近日，美国休斯顿大学的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组在该领域取得了突破性进展，以“Air/water interfacial assembled rubbery semiconducting nanofilm for fully rubbery-integrated electronics”为题在Science子刊Science Advances上报道了一种基于空气/水界面自组装技术制备的高度有序半导体聚合物薄膜材料，实现了可大面积制备的高迁移率的橡胶状半导体材料，并将其应用于全橡胶晶体管，逻辑门电路，集成电路及集成电子皮肤。余存江教授课题组在近年来的一系列橡胶电子的工作包括：  

界面自组装的可拉伸橡胶半导体Science Advances, 6, eabb3656, 2020.

植入生物电子Nature Electronics, 2020. 

皮肤上直写电子Nature Communications, 11, 3823, 2020. 

橡胶突触电子Science Advances, 5, eaax4691, 2019.

高迁移率橡胶半导体Science Advances, 5, eaav5479, 2019.

橡胶半导体及橡胶晶体管Science Advances, 3, e701114, 2017.

图1. 自组装的P3HT聚合物薄膜   研究人员首先将P3HT的甲苯溶液滴到水表面,两分钟之内便可自组装得到P3HT聚合物薄膜。通过该方法制备的P3HT聚合物薄膜可以很容易的转移到玻璃，硅片，PDMS等各种基底上，为后续电子器件的制备提供了方便。X射线衍射（XRD）数据显示自组装制备的P3HT聚合物薄膜具有高度有序的分子堆积结构,同时基于自组装薄膜的场效应晶体管器件表现出了优异的性能，其场效应迁移率比旋涂薄膜器件高出一个数量级。  

图2. 自组装的橡胶状半导体聚合物薄膜及器件   接着，研究人员通过向P3HT的甲苯溶液引入弹性体聚合物SEBS,成功的制备了可拉伸橡胶半导体薄膜。该橡胶半导体薄膜具有两相分离的微观结构，且能够拉伸超过50%而不出现裂纹或者损坏。基于该可拉伸橡胶半导体薄膜的全橡胶场效应晶体管在无应变和双向拉伸50%应变下均表现出了优异的场效应性能，并且所制备的大面积全橡胶场效应晶体管阵列表现出了极好的性能均匀性。研究人员同时还制备了基于橡胶半导体薄膜的全橡胶逻辑门电路（反相器，与非门和或非门），这些逻辑门电路完全可以在无应变和双向拉伸50%应变下正常工作。  

图3. 全橡胶智能电子皮肤   基于橡胶晶体管有源矩阵，研究人员开发了一种全橡胶智能电子皮肤。当用手指接触智能电子皮肤时，可以准确地感知手指的触摸位置。即使智能电子皮肤在被拉伸30%以后，其感知能力没有受到丝毫影响，显示了这种橡胶状智能电子皮肤的强大功能。  

图4. 全橡胶多功能电子皮肤医疗机械手   最后，研究人员进一步开发了具有多功能电子皮肤的医疗机械手，以通过直接与人体接触来提取健康信息或提供医疗刺激，这是医疗领域中重要且迫切需要的医疗设备。该多功能电子皮肤集成了温度传感器，电刺激器，和电生理传感器阵列。通过基于全橡胶晶体管的温度传感器，研究人员成功的获取了人体的体表温度；通过与人手接触，具有多功能电子皮肤的医疗机械手可以对人手进行电刺激治疗。而电生理传感器阵列也成功的获取了肌电图（EMG）信号，从而通过具有多功能电子皮肤的医疗机械手, 使用者可以从皮肤上获取关键的生理信息。   综上，该工作展示了通过自下而上的界面自组装技术大面积制备柔性可拉伸的橡胶半导体薄膜，并将其应用于全橡胶晶体管，逻辑门电路，集成电路及集成电子皮肤，展现出了橡胶状电子产品和集成系统在可穿戴电子，健康监测，医疗设备等方面的巨大应用潜力。  文章的第一作者是管英士(Ying-Shi Guan)博士，其他作者包括课题组的Anish Thukral，Kyoseung Sim博士(现为韩国UNIST助理教授)，王旭博士，张永操，路运涛，潘凤娇,以及兰州大学的访问学者王鹏博士等。文章作者还包括合作者来自于美国科罗拉多大学的肖建亮教授以及课题组的学生张顺。文章的通讯作者为余存江教授。