通過將剛性半導(dǎo)體聚合物與較軟的材料結(jié)合在一起，斯坦福大學(xué)的一組研究人員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)會用到的材料)。

　　斯坦福大學(xué)化學(xué)工程師、研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人鮑哲南在接受c&en采訪時(shí)表示，制作彈性半導(dǎo)體聚合物一直以來都是個(gè)難題。“彈性材料的典型設(shè)計(jì)規(guī)則是讓它們更軟、更少結(jié)晶。” 但作為高性能半導(dǎo)體聚合物，一般需要高度結(jié)晶而且很硬，因此容易碎裂。

　　研究人員用兩種方法克服了這些難題。他們一開始使用含有二酮吡咯并吡咯(DPP)單元的聚合物——DPP中大量的碳鍵使其很硬、很多結(jié)晶。接著，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，減少碳鍵的數(shù)量，讓材料變得更軟。然后，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)鍵會斷開吸收機(jī)械能，而應(yīng)力釋放時(shí)，這些鍵又會重新結(jié)合起來。

　　這種彈性晶體管由兩部分組成：一是剛性的半導(dǎo)體，二是連接這些半導(dǎo)體的無定形鏈。拉伸時(shí)，無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。來源：Nature/cen.acs.org

　　伊利諾伊大學(xué)材料科學(xué)家 John Rogers 在接受c&en采訪時(shí)表示：“彈力力學(xué)和高效電荷傳輸通常不會出現(xiàn)在一起。”斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了“看上去兼具這兩種性能的巧妙化學(xué)物質(zhì)”。

　　在經(jīng)過1000次拉伸循環(huán)后(拉伸至雙倍尺寸又重新縮回)，這種新材料開始出現(xiàn)一些裂紋，導(dǎo)電性也輕微降低。不過，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�恢�?fù)原本的導(dǎo)電性能。研究人員使用該聚合物制造出可以穿在肘部和踝部的彈性晶體管。研究負(fù)責(zé)人Bao稱，其團(tuán)隊(duì)正在從事將這種材料納入傳感器的研究，希望以后能開發(fā)出顯示器。

　　可伸縮聚合物導(dǎo)體和絕緣體已經(jīng)存在，“主要的挑戰(zhàn)是合成一個(gè)具有可拉伸性質(zhì)的半導(dǎo)體。”供職于 UCLA 從事可伸縮電子學(xué)研究的 Qibing Pei告訴 c&en：“現(xiàn)在，這個(gè)問題看來已經(jīng)被斯坦福的研究人員破解了。”

　　來源：cen.acs.org、Nature

　　記者：Katherine Bourzac

　　譯者：聞菲、徐紅

　　編譯來源：http://cen.acs.org/articles/94/i46/healable-polymer-stretchable-electronics.html

　　Nature 539, 365–367 (17 November 2016) doi:10.1038/539365a)