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  隨著皮膚電子學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，尤其是一系列新型高性能柔性（導(dǎo)電）半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，使得可拉伸/可穿戴仿生柔性電子器件逐漸走入人們的日常生活，在健康護(hù)理、運(yùn)動(dòng)生理監(jiān)測(cè)等各個(gè)方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。目前，仿生的導(dǎo)電水凝膠/彈性體等軟物質(zhì)體系、褶皺/螺旋等應(yīng)力緩沖材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及聚合物材料分子鏈結(jié)構(gòu)（一級(jí)及二級(jí)結(jié)構(gòu)）調(diào)控等諸多策略被成功用于構(gòu)筑柔性可拉伸電子器件。但是，導(dǎo)電材料機(jī)械拉伸性提升的同時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致材料電荷傳輸效率的降低，損耗器件的電學(xué)性能。

  近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)鮑哲南教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種溶液剪切結(jié)合納米限域效應(yīng)的溶液加工方法，簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體高分子材料在從分子尺度、介觀尺度到宏觀尺度的多尺度有序規(guī)整排列，大幅提升了共軛高分子薄膜的電荷傳輸效率和機(jī)械可拉伸性。該研究成果還適用于大規(guī)模制備可拉伸半導(dǎo)體膜材料（米級(jí)），有望極大推進(jìn)柔性皮膚電子器件的工業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)論文發(fā)表于Nature Materials。

多尺度有序規(guī)整排列共軛高分子構(gòu)筑過程及表征。圖片來源：Nat. Mater.

  研究人員采用圖案化刀片輔助溶液剪切法誘導(dǎo)共軛高分子鏈取向規(guī)整排列，借助共軛半導(dǎo)體聚合物（DPPDTSE）與彈性嵌段聚合物（SEBS）相分離產(chǎn)生的限域效應(yīng)“凍結(jié)”共軛高分子取向態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多尺度聚合物鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整序列的穩(wěn)定性。同時(shí)，研究表明溶液濃度、剪切速率和溫度能夠影響最終共軛聚合物鏈的規(guī)整性，最佳實(shí)驗(yàn)條件為：溶液濃度30 mg ml^-1、剪切速率3 mm s^-1、操作溫度50 °C。

  納米限域效應(yīng)使得聚合物鏈規(guī)整排列并提升共軛聚合物鏈短程π-π堆疊，有效降低了載流子傳輸?shù)哪芰縿?shì)壘從而大幅改善其電學(xué)性能。與傳統(tǒng)的旋涂工藝相比，該方法制備的6種共軛高分子膜其電荷傳輸效率提升了約2-6倍，且在100%拉伸應(yīng)變條件下膜材料表面未觀察到裂紋產(chǎn)生，展現(xiàn)出優(yōu)異的可拉伸性能。

多尺度有序排列共軛聚合物電性能測(cè)試。圖片來源：Nat. Mater.

  為進(jìn)一步探究材料規(guī)整形貌與共軛高分子膜電性能的內(nèi)在關(guān)系，研究人員對(duì)不同工藝條件下制備的共軛聚合物晶體管的帶隙及傳輸活化能（EA）進(jìn)行了對(duì)比測(cè)。研究表明，納米共軛聚合物纖維的宏觀尺度規(guī)整排列對(duì)晶體管帶隙的影響不大；但是納米纖維的規(guī)整排列有效減少不利于電荷傳輸?shù)牟牧闲蚊策吔鐝亩行Ы档腕w系電荷傳輸活化能，賦予器件最優(yōu)載流子遷移率。同時(shí)，共軛聚合物鏈的多尺度有序排列賦予器件優(yōu)異的可拉伸性能，在100%拉伸應(yīng)變條件下膜材料載流子遷移率恒定在1.5 cm² V s^-1，且在1000余次循環(huán)拉伸測(cè)試中展現(xiàn)出卓越的電性能穩(wěn)定性。

新型共軛聚合物晶體管帶隙及傳輸活化能測(cè)試。圖片來源：Nat. Mater.

新型共軛聚合物導(dǎo)電器件可拉伸性能測(cè)試。圖片來源：Nat. Mater.

  基于該半導(dǎo)體薄膜制備策略的簡(jiǎn)便性，研究團(tuán)隊(duì)通過卷對(duì)卷印刷工藝實(shí)現(xiàn)了米級(jí)尺寸半導(dǎo)體薄膜涂層的大面積制備，為可拉伸半導(dǎo)體薄膜工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

多尺度有序排列共軛聚合物膜的大面積制備。圖片來源：Nat. Mater.

  鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)采用溶液剪切誘導(dǎo)聚合物鏈取向，結(jié)合材料體系相分離產(chǎn)生的納米限域效應(yīng)“凍結(jié)”鏈取向結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)了材料體系從微觀、介觀到宏觀尺度的多尺度有序結(jié)構(gòu)調(diào)控，賦予了共軛聚合物超高電學(xué)性能的同時(shí)，保持了材料固有的良好機(jī)械拉伸性。該研究成果進(jìn)一步促進(jìn)了人們對(duì)可拉伸材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的理解，為其他半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)及開發(fā)利用提供了重要的借鑒。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0340-5