柔性可拉伸電子器件在健康監(jiān)測、醫(yī)療植入、人造皮膚及人機交互等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來發(fā)展迅猛。其中橡膠狀半導(dǎo)體材料在大拉伸應(yīng)變狀態(tài)下仍能保持優(yōu)異的電學(xué)性能，是實現(xiàn)柔可拉伸電子電路多功能化集成不可或缺的重要材料。尤其是具有高的載流子遷移率，并且可以大面積生產(chǎn)制備的橡膠狀半導(dǎo)體材料。如何成功的制備出這種半導(dǎo)體材料一直是可穿戴電子領(lǐng)域長期存在的一個巨大挑戰(zhàn)。

近日，美國休斯頓大學(xué)的余存江(Cunjiang Yu)教授課題組在該領(lǐng)域取得了突破性進展，以“Air/water interfacial assembled rubbery semiconducting nanofilm for fully rubbery-integrated electronics”為題在Science子刊Science Advances上報道了一種基于空氣/水界面自組裝技術(shù)制備的高度有序半導(dǎo)體聚合物薄膜材料，實現(xiàn)了可大面積制備的高遷移率的橡膠狀半導(dǎo)體材料，并將其應(yīng)用于全橡膠晶體管，邏輯門電路，集成電路及集成電子皮膚。余存江教授課題組在近年來的一系列橡膠電子的工作包括：

界面自組裝的可拉伸橡膠半導(dǎo)體Science Advances, 6, eabb3656, 2020.

植入生物電子Nature Electronics, 2020.

皮膚上直寫電子Nature Communications, 11, 3823, 2020.

橡膠突觸電子Science Advances, 5, eaax4691, 2019.

高遷移率橡膠半導(dǎo)體Science Advances, 5, eaav5479, 2019.

橡膠半導(dǎo)體及橡膠晶體管Science Advances, 3, e701114, 2017.

圖1. 自組裝的P3HT聚合物薄膜 研究人員首先將P3HT的甲苯溶液滴到水表面,兩分鐘之內(nèi)便可自組裝得到P3HT聚合物薄膜。通過該方法制備的P3HT聚合物薄膜可以很容易的轉(zhuǎn)移到玻璃，硅片，PDMS等各種基底上，為后續(xù)電子器件的制備提供了方便。X射線衍射（XRD）數(shù)據(jù)顯示自組裝制備的P3HT聚合物薄膜具有高度有序的分子堆積結(jié)構(gòu),同時基于自組裝薄膜的場效應(yīng)晶體管器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，其場效應(yīng)遷移率比旋涂薄膜器件高出一個數(shù)量級。

圖2. 自組裝的橡膠狀半導(dǎo)體聚合物薄膜及器件 接著，研究人員通過向P3HT的甲苯溶液引入彈性體聚合物SEBS,成功的制備了可拉伸橡膠半導(dǎo)體薄膜。該橡膠半導(dǎo)體薄膜具有兩相分離的微觀結(jié)構(gòu)，且能夠拉伸超過50%而不出現(xiàn)裂紋或者損壞?；谠摽衫煜鹉z半導(dǎo)體薄膜的全橡膠場效應(yīng)晶體管在無應(yīng)變和雙向拉伸50%應(yīng)變下均表現(xiàn)出了優(yōu)異的場效應(yīng)性能，并且所制備的大面積全橡膠場效應(yīng)晶體管陣列表現(xiàn)出了極好的性能均勻性。研究人員同時還制備了基于橡膠半導(dǎo)體薄膜的全橡膠邏輯門電路（反相器，與非門和或非門），這些邏輯門電路完全可以在無應(yīng)變和雙向拉伸50%應(yīng)變下正常工作。

圖3. 全橡膠智能電子皮膚 基于橡膠晶體管有源矩陣，研究人員開發(fā)了一種全橡膠智能電子皮膚。當(dāng)用手指接觸智能電子皮膚時，可以準(zhǔn)確地感知手指的觸摸位置。即使智能電子皮膚在被拉伸30%以后，其感知能力沒有受到絲毫影響，顯示了這種橡膠狀智能電子皮膚的強大功能。

圖4. 全橡膠多功能電子皮膚醫(yī)療機械手 最后，研究人員進一步開發(fā)了具有多功能電子皮膚的醫(yī)療機械手，以通過直接與人體接觸來提取健康信息或提供醫(yī)療刺激，這是醫(yī)療領(lǐng)域中重要且迫切需要的醫(yī)療設(shè)備。該多功能電子皮膚集成了溫度傳感器，電刺激器，和電生理傳感器陣列。通過基于全橡膠晶體管的溫度傳感器，研究人員成功的獲取了人體的體表溫度；通過與人手接觸，具有多功能電子皮膚的醫(yī)療機械手可以對人手進行電刺激治療。而電生理傳感器陣列也成功的獲取了肌電圖（EMG）信號，從而通過具有多功能電子皮膚的醫(yī)療機械手, 使用者可以從皮膚上獲取關(guān)鍵的生理信息。 綜上，該工作展示了通過自下而上的界面自組裝技術(shù)大面積制備柔性可拉伸的橡膠半導(dǎo)體薄膜，并將其應(yīng)用于全橡膠晶體管，邏輯門電路，集成電路及集成電子皮膚，展現(xiàn)出了橡膠狀電子產(chǎn)品和集成系統(tǒng)在可穿戴電子，健康監(jiān)測，醫(yī)療設(shè)備等方面的巨大應(yīng)用潛力。 文章的第一作者是管英士(Ying-Shi Guan)博士，其他作者包括課題組的Anish Thukral，Kyoseung Sim博士(現(xiàn)為韓國UNIST助理教授)，王旭博士，張永操，路運濤，潘鳳嬌,以及蘭州大學(xué)的訪問學(xué)者王鵬博士等。文章作者還包括合作者來自于美國科羅拉多大學(xué)的肖建亮教授以及課題組的學(xué)生張順。文章的通訊作者為余存江教授。