可拉伸電子能夠可逆地拉伸和釋放是自本世紀以來開發的一項重要且及其具有前景的電子技術。由于其具有優越的機械性能，可拉伸電子在可穿戴技術，醫療器械，智能皮膚以及人機交互等眾多傳統與新興領域具有巨大的技術優勢以及廣泛的應用需求。

通常，這些可拉伸電子不僅僅包括由各種可拉伸傳感器，還包括至關重要的集成電路以實現復雜的電路連接，接口和數據處理等等功能。制成可拉伸電子及集成電路的關鍵在于實現可拉伸電子材料，尤其是具有高載流子遷移率的可拉伸半導體材料。但實現這種材料以及基于其制成集成電子電路一直是材料和可拉伸電子領域長期存在的技術難題。

目前廣泛存在的電子材料，尤其半導體材料，從有機到無機，往往是脆性不可拉伸的，難以直接應用于可拉伸電子器件。目前主流解決方案是將不可拉伸的材料設計成特殊結構，例如褶皺、蛇形、彈簧、“孤島互連”等等，以此在拉伸、扭曲、彎曲時承受機械變形，消除機械應力而免遭破壞。但是這些方法也有工藝復雜、結構可靠性差、制作成本高的缺點，難以大規模應用于柔性可拉伸電子器件。

美國休斯敦大學(University of  Houston)的余存江(Cunjiang Yu)教授課題組在該領域取得了突破性進展，2017年首次在Science子刊 Science Advances報道了橡膠半導體復合材料。這種橡膠半導體無需任何特殊的機械結構就能實現拉伸性能。他們開發了橡膠半導體、橡膠導體材料，并用這些材料制作成的全橡膠晶體管、各種傳感器以及機器人皮膚。然而，橡膠半導體的開發仍處于起步階段，它的載流子遷移率較低（場效應遷移率~1 cm²/v·s）。要用橡膠半導體真正實現可拉伸集成電路，必須有一種具有高載流子遷移率、器件性能均勻以及可大規模制造的可拉伸半導體。

近期，余存江教授課題組在高性能橡膠半導體上面再次取得重要進展。研究成果于2019年2月1日在Science Advances上在線發表。他們開發出一種具有高載流子遷移率可拉伸橡膠半導體，以及全橡膠晶體管，邏輯門電路，集成電路及集成電子傳感皮膚。全橡膠電子繼承了橡膠材料優良的可拉伸延展性、良好的電性能。他們進一步展示了基于這種高性能晶體管有源矩陣的全彈性觸覺傳感皮膚，使橡膠形式的集成電子電路作為一種真正可行的技術。

高載流子遷移率

這種高遷移率全橡膠晶體管及其陣列由橡膠電子材料制成的。其中金屬型碳納米管摻雜的P3HT-NFs/PDMS 為橡膠半導體、金納米粒子包裹的銀納米線（Au NP-AgNWs）嵌入的PDMS的復合材料（Au NPs-AgNWs/PDMS）為橡膠導體，可拉伸的離子膠為介電層。通過干法轉移金屬型碳納米管（m-CNTs）到橡膠半導體P3HT-NFs/PDMS表面，載流子遷移率可以有效地提高到~9.76 cm²/v·s。其原理是在m-CNTs和P3HT之間有較低的能量勢壘（~0.1 eV）的情況下，m-CNTs可以給載流子提供優良的傳輸路徑，縮短載流子在溝道內的傳輸距離，從而顯著提高有效載流子遷移率。這種高遷移率的橡膠半導體的優點包括以下幾個方面：（i）高有效遷移率同時可以拉伸收縮50%；ii）基于商用的前驅體制備無需進一步合成；（iii）簡單、可重復和可量產的制作方法；以及（iv）低成本。研究測試表明，高性能橡膠晶體管在經歷高水平的機械拉伸時（50%），依舊能保持正常的工作狀態和相對穩定的器件性能。

圖1： 高載流子遷移率的橡膠晶體管及陣列

 全橡膠邏輯門電路

布爾運算的邏輯門是集成電子和電路的基本組成部分。全部由橡膠材料制成的集成電子電路與傳統的硅基電子電路相輔相成，同時擁有許多傳統技術無法輕易實現的應用。該工作第一次實現了全橡膠邏輯門電路，包括反相器，與非門（NAND）和或非門（NOR）。這些邏輯門均能同時在無應變和雙向50%（平行和垂直溝道方向）應變下正常工作。

圖2：橡膠邏輯門電路

 全橡膠觸覺感知皮膚

利用高性能橡膠晶體管陣列技術，他們還制備了8×8有源矩陣的全橡膠觸覺感知皮膚。 當皮膚受壓時，陣列上各個單元的電壓信號可以被測量。晶體管有源矩陣技術可以有效做到相鄰傳感單元之間沒有串擾同時減少排線數量。橡膠智能皮膚能夠定量感知壓力分布進而識別物體的形狀。即使當橡膠智能皮膚被進一步沿著平行和垂直于溝道的兩個方向拉伸50%，在拉伸和釋放100個循環后，其感知能力沒有明顯變化。

圖3.全橡膠陣列集成觸覺感知皮膚

南京大學王欣然教授對此工作做了點評：

余存江教授課題組開創性地設計并制造出具有高載流子遷移率同時可以拉伸的半導體材料，開發了全橡膠集成電子電路以及有源矩陣柔性傳感皮膚。高遷移率橡膠半導體以及集成電子電路在柔性電子領域是重要的突破。這項研究工作將有望衍生出一系列新型電子與光電子器件與系統，推進可穿戴技術，智能電子皮膚，醫療電子等相關領域的發展。

作者介紹

文章的第一作者是休斯頓大學余存江教授課題組的博士后Kyoseung Sim博士。余存江教授為唯一通訊作者。其他作者還包括課題組的博士生饒州鋁，Anish Thukral, Hyunseok Shim, 以及前博士后Dr. Haejin Kim （現為韓國Gyeongsang National University助理教授）。余教授課題組主要從事有機和無機柔性電子，生物醫療電子方面的研究。課題組網頁：http://yu.me.uh.edu/

參考文獻

1.   Kyoseung Sim, Zhoulyu Rao, Hae-Jin Kim,Anish Thukral, Hyunseok Shim, and Cunjiang Yu*, Fully rubbery integratedelectronics from high effective mobility intrinsically stretchablesemiconductors, Science Advances, 5, eaav5749, 2019. DOI:10.1126/sciadv.aav5749.

2.   Haejin Kim, Kyoseung Sim, AnishThukral, and Cunjiang Yu*, Rubbery Electronics and Sensors from IntrinsicallyStretchable Elastomeric Composites of Semiconductors and Conductors, Science Advances,3, e701114, 2017. DOI: 10.1126/sciadv.1701114.

來源：知社學術圈