柔性光伏器件的案例
分子量，決定PEDOT電導率及有機光伏器件性能？
近30年來，聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）導電聚合物常作為標準空穴傳輸材料應用于有機光電子器件領域。然而，隨著科技發展，PEDOT:PSS較弱導電性、較低功函數和較強酸性等缺陷限制了器件性能的進一步攀升。科研工作者常采用二次摻雜法調控PEDOT:PSS微結構（如：PEDOT醌式構型含量、導電網絡連通性、表面高電離電勢組分含量）或新型摻雜劑代替PSS功能化PEDOT導電聚合物，以克服上述缺陷。然而，分子量——這一決定PEDOT光電性能的重要參數卻未被關注。
圖1 本文PEDOT分子量與有機光伏器件性能關系示意圖
圖2 文獻PEDOT分子量與鈣鈦礦光伏器件性能對比圖
在本文中，作者通過調控乳化劑、催化劑用量，制備了五批不同PEDOT分子量的PEDOT:PSS導電聚合物P-UL、P-L、P-M、P-H、P-UH，將其作為空穴傳輸層組裝PBDB-T:ITIC有機光伏器件（如圖3所示）。研究發現，隨著分子量的增加，PEDOT摻雜度和薄膜相分離程度逐漸增加，導致空穴傳輸層由近乎絕緣（7.70×10-7 S cm-1）向弱電導性（1.14×10-4 S cm-1）及高電導性（7.72×10-4 S cm-1）轉變，器件效率因此實現~0到1.32%及9.91%的跳躍（如圖3所示）。隨著分子量進一步提高，空穴傳輸層電導率提升幅度變小，然而其粗糙度增加引起的載流子復合效應逐漸凸顯，使得載流子收集效率達到峰值，器件效率達到飽和10.36%。
展開 配體工程在鈣鈦礦光伏器件中的重要作用
配體工程用于提高鈣鈦礦電池穩定性的幾種策略：器件后處理鈍化；鈣鈦礦材料維度工程；晶體交聯；界面修飾。
【小結與展望】
本文從薄膜制備，缺陷鈍化和穩定性的角度總結了配體在鈣鈦礦光伏領域中的重要作用。
1）薄膜制備。對于配體輔助的鈣鈦礦薄膜一步沉積，配體與前體溶液中鈣鈦礦骨架中的金屬離子相互作用，形成中間相，減緩鈣鈦礦結晶速率，產生均勻成核，最終形成高品質（通過控制配體從中間體絡合物中的釋放，形成良好的形態和高度結晶的鈣鈦礦膜。對于配體輔助的鈣鈦礦薄膜的兩步沉積，配體與鹵化鉛相互作用形成加合物，這有利于通過兩個方面形成鈣鈦礦：（i）增加活性位點朝向鹵化銨的數量; （ii）改變反應途徑并降低活化能。
雖然許多小組已經研究了配體輔助鈣鈦礦形成的可能機制，但應開發一些原位表征技術（例如，紅外，拉曼，XRD）以了解配體如何控制鈣鈦礦結晶。配位絡合物的晶體結構對于揭示配體在鈣鈦礦形成中的作用也很重要。同時，應進行綜合研究，揭示不同分子結構配體的作用，并將配體分類為各種功能。建議配體的這些性質與所有科學家共享，這可能有利于未來機器學習的材料優化。
配體工程也可用于制備高質量的無鉛鈣鈦礦。到目前為止，錫基鈣鈦礦，鉍基鈣鈦礦，雙鈣鈦礦的最高效率分別為9%， 1.64%，和2.5%，。我們推測配體輔助鈣鈦礦形成策略將顯著改善無鉛鈣鈦礦的性能，這也是鈣鈦礦光伏產品商業化之前的一個關鍵問題。同時，用于形成鈣鈦礦膜的一些配體也可用于合成高質量的鈣鈦礦單晶和量子點。
2）缺陷鈍化。大量實驗證明，設計功能配體以鈍化鈣鈦礦膜和界面陷阱中的缺陷可以有效地減少能量損失，從而改善PVSC的性能。為了指導有效配體的設計，應該深入了解不同鈣鈦礦材料中形成的類型和密度缺陷及其對電子傳輸性能和光伏性能的影響。
展開 蘇州大學崔超華教授系統評述：有機光伏材料的分子設計與器件性能研究
有機太陽能電池(包括聚合物太陽能電池)具有重量輕、柔性、半透明等突出優點，可使用刮涂、噴墨或者卷對卷等便捷的工藝制備成大面積器件，在建筑一體化、可穿戴電子設備等方面具有巨大的應用潛力，是新一代光伏技術的重要發展方向。有機光伏材料(給/受體材料)是有機太陽能電池的核心，決定著器件的能量轉換效率。因此，發展合理的分子設計策略調制有機半導體材料的物理化學性質進而制備高效有機光伏材料，是提升有機太陽能電池效率的關鍵。
基于以上背景，蘇州大學崔超華教授課題組應邀系統評述了近年來有機光伏材料的研究進展。首先介紹了高效有機光伏材料的分子設計準則，強調了有機光伏材料的創新發展對器件性能提升的重要意義；然后針對有機光伏材料的能級調制對提升器件開路電壓的重要性，系統介紹了烷硫基側鏈工程在調控能級、提升光伏性能的策略：通過烷硫基側鏈策略分別在給電子單元、缺電子單元及共軛π橋的應用，有效調制能級，提升器件開路電壓及能量轉換效率；針對有機光伏器件活性層形貌調控的難點與挑戰，介紹了如何從光伏材料的分子設計層面有效調制分子的聚集態行為、優化活性層形貌，提升器件光伏性能：聚合物給體材料的共軛側鏈策略、小分子給體材料的柔性側鏈策略以及三元共混策略調控共混膜形貌；最后，探討和展望了現階段有機太陽能電池研究過程中存在的科學問題及未來的發展方向。
上述工作以專論形式即將在《高分子學報》2021年第6期"高分子優秀青年學者專輯"印刷出版。通訊作者為蘇州大學崔超華教授。
展開 柔性紙基集成器件研究取得進展！
柔性傳感器可穿戴或植入人體，并可檢測周圍環境信息，在醫療健康領域受到廣泛關注。然而，作為用電器件的傳感器自身并不能獨立工作，需要電源為其供電。平面型微型超級電容器（MSC）作為新型的微型電化學儲能器件易與傳感器或其它電子器件進行有效集成。一般的方法是將傳感器與電源通過外接導線連接，但在柔性可穿戴技術中引起不便。如何將柔性和無線電源與傳感器集成到同一芯片，是當前研究所面臨的挑戰。
紙質材料成本低、可即用即棄，并具有多孔和粗糙的纖維結構，可以增強其與電子器件的結合力。由于纖維素孔隙引起的毛細作用使通過印刷技術印刷的墨水材料在紙基表面擴散，導致形成的圖案質量較差。
紙基自供電傳感器的集成示意圖與實物圖
中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室研究員閻興斌團隊通過絲網印刷技術，在濾紙表面形成金屬Ni叉指化集流體，并結合后續的電鍍技術增強集流體的導電性，并抑制金屬Ni在紙基表面的擴散，形成了分辨率較高的圖案化集流體。在Ni表面通過電化學沉積MnO2或者聚吡咯（PPy）活性材料，并滴凃凝膠電解質，形成了基于MnO2的對稱性超級電容器，以及基于MnO2和PPy的非對稱超級電容器。經過測試，表明該紙基超級電容器具有較好的電化學特性和很強的耐機械形變特性（彎折1萬次后容量幾乎沒有衰退），其能量密度和功率密度皆位于同類型超級電容器的前列。
基于在紙面印刷的金屬集成電路，研究人員將MSC和紫外傳感器或氣體傳感器集成到同一單片紙上，集成器件顯示出良好的傳感特性和自供電特性。未來有望將能量采集、能量存儲和用電器件集成到同一紙基芯片。這種基于紙質基底的集成策略為便攜式和可穿戴電子開拓了新的設計方法。
展開 
《AFM》：一種自界面柔性熱器件！
圖5.STD作為柔性透明加熱器的應用。A)概念圖，顯示在彎曲半徑為10 mm的彎曲基板上應用的STD和NTD。在直流電壓為5V(輸入功率為0.25W)的情況下，用紅外熱像儀檢測了加熱器和基板的橫截面溫度梯度。B)施加電壓5min后彎曲基板上的(i)STD和(ii)NTD的紅外熱像。C)熱器件(STD和NTD)和彎曲基板的表面溫度作為電壓施加時間的函數。D)在施加5V電壓5min后，在不同的水平位置，熱器件(STD和NTD)表面與襯底之間的溫度差。
綜上所述，本文提出了一種自界面柔性熱器件，通過滲流AgNW熱網絡和仿生粘合劑結構的集成設計，通過最大化界面處的VDW耦合，可以最大限度地減少接觸界面處的熱損失。
在不施加外壓或表面化學處理的情況下，STD的最大粘接強度為538.9 kPa，較低的TCR為0.012m2 K kW?1。因此，它可以高效、均勻地將熱量傳遞到平面或曲面襯底上。通過將其他導電納米材料(例如，石墨烯)或表面化學物質(例如，自組裝單分子膜)加入到自接口器件中，可以潛在地進一步降低自接口器件的TCR。
展開 今日Nature：納米光柵圖案策略實現自供電超柔性有機光伏
【前言】
下一代生物醫學器件將需要能夠實現自我供電，并適合在人類皮膚或其他組織中應用的功能。這種器件將能夠精確和連續地檢測生理信號，而不需要外部電源或復雜的連接線。其中自供電功能可以由柔性光伏提供，它可以附著在可移動和復雜的三維生物組織和皮膚上。包裹在物體周圍的超柔性有機電源在長期測試中已經證明了其良好的機械性和熱穩定性，這使得它們在與人類組織或皮膚兼容的電子產品中有潛在的用途。然而，由于這些電源在機械變形和角度變化下輸出功率不穩定，同時與包括傳感器在內的功能性電子器件的集成尚未得到驗證。此外，在制造集成電源和傳感器時，有必要將高溫和能量密集型工藝最小化，因為這些工藝會損壞功能器件當中的活性材料并使幾微米厚的聚合物襯底變形。
【成果簡介】
來自日本應急物質科學中心(CEMS)的Kenjiro Fukuda，Keisuke Tajima教授以及東京大學的Takao Someya教授（共同通訊）聯合在Nature上發表文章，題為：Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics。在這里，作者實現了自供電超柔性電子器件的制備。當應用于皮膚或其他組織時，該器件能夠以非常高的信噪比測量生物信號。作者將用作傳感器的有機電化學晶體管與有機光伏電源集成在一微米厚的超柔性襯底上。使用高通量室溫模塑工藝在電荷傳輸層上形成納米光柵形態(周期為760nm)。這大大提高了有機光電轉換器的效率，提供了高達10.5 %的高轉換效率，并實現了每克11.46瓦的高功率重量值。
展開 一種用于電子器件熱管理的柔性相變材料
當用作散熱器和加熱元件之間的熱界面材料(TIMs)時，這種現象會產生不可忽略的熱阻，從而對電子器件的熱管理效率產生不利影響。
柔性PCMs被認為是與物體接觸且能夠承受某些變形(例如，彎曲，拉伸和壓縮)的材料。雖然目前的PCMs具有優異的形狀穩定性和柔韌性，但由于難以加入導熱填料，其導熱性仍然有限。因此，當PCMs用作TIMs時，對靈活性和增強導熱性的要求仍然具有挑戰性。
02
成果掠影
近期，西南交通大學王勇和祁曉東團隊針對開發用于電子器件熱管理的柔性導熱相變材料取得最新進展。本文制備了聚二甲基硅氧烷/石蠟/氮化硼(PDMS/PW/BN)相變復合材料。首先通過刮削獲得BN沿平面(x-y方向)的排列，然后通過熱壓縮和滾切誘導BN沿平面(z方向)排列。因此，PW被交聯的PDMS/BN網絡包裹，從而形成與天然木材相似的年輪結構。年輪結構有效地避免了PW的液體泄漏，從而顯示出高達98%的高尺寸保留率。BN網絡的垂直取向使PCM在BN負載為13.0 wt%時的通平面導熱系數提高到2.16 W/mK，與PDMS/PW相比，顯著提高了943%。通過觸發PW的熔融結晶轉變，pcm表現出可調諧的導熱性。原位x射線衍射表明，BN網絡重排發生在相變過程中。在實際工作芯片上和有限元仿真中，驗證了PCMs具有良好的熱管理能力。這項工作提出了一種經濟有效的方法來生產具有優異導熱性的柔性PCM，它有潛力用于先進電子產品的熱管理。
展開 ：n-型晶體管材料在有機光伏和光探測器件中的成功應用
有機太陽能電池和有機光探測器由于具有質輕、柔性、可溶液加工和光譜易于調節等優點而展示出良好的商業應用前景。在很長一段時間里，全聚合物太陽電池（all-PSCs）和全聚合物光探測器（all-PPDs）由于受到高性能聚合物受體的相對缺乏和活性層形貌難以調控的限制，器件性能遠落后于小分子受體體系。因此，發展合適的聚合物受體和調控理想的共混形貌是實現高性能all-PSCs和all-PPDs的關鍵。
近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室段春暉教授課題組聯合東莞理工學院趙雁飛博士、南密西西比大學顧曉丹教授、天津大學葉龍教授在Chemistry of Materials上發表最新研究成果“High-Performance All-Polymer Solar Cells and Photodetectors Enabled by a High-Mobility n-Type Polymer and Optimized Bulk-Heterojunction Morphology”。該工作將應用于有機場效應晶體管（OFETs）的高遷移率n-型聚合物PNDI-DTBT（圖1a）作為聚合物受體引入all-PSCs和all-PPDs中，選用了三種不同化學結構的聚合物給體PBDB-T、J51和PCE10（圖1b）與其搭配，通過形貌調控基于PBDB-T的all-PSCs實現了8.5%的能量轉換效率，all-PPDs實現了1.32 × 10-8 A cm-2的暗電流和4.77 × 1012 Jones的比探測率（-0.1 V偏壓下），優異的器件性能展示出高遷移率n-型聚合物在有機光伏和光探測器領域的巨大應用潛力。
展開 中科院化學所宋延林研究員團隊《Nano Energy》：基于氣泡模板自組裝的透明電極，實現高效柔性鈣鈦礦太陽能電池的制備
近日，中科院化學所的宋延林研究員、喬雅麗研究員團隊開發了一種基于二維氣泡模板自組裝方法制備的透明銀網格電極，并實現高效柔性鈣鈦礦太陽能電池的制備。研究發現, 通過氣泡自組裝方法制備銀透明電極，可以實現銀納米粒子自下而上的緊密堆積與高效利用。半突起的銀網格結構通過擴散控制生長促進鈣鈦礦的均勻成核。同時，包埋的銀網格結構作為定域化的載流子傳輸通道提升了光生載流子的分離效率。他們采用這種透明電極，成功制備了柔性鈣鈦礦太陽能電池器件。在AM 1.5光照下光電轉換效率達到18.49%。相較于使用傳統ITO/PET電極的器件PCE提升了20%。這種半包埋柔性透明電極的研發有望推動柔性光伏器件的進一步發展。
有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率已經突破了25%，引起學術界與工業界極大的關注。但是柔性器件效率始終低于剛性器件，是一個亟待解決的關鍵問題。為了提高柔性器件的效率，近年來的許多研究著重在新型透明電極的開發。與傳統ITO/PET電極光透過率差、方阻高相比，金屬納米結構作為透明電極能夠具備高導電性與光透過率，但是其較大的粗糙度影響了電荷傳輸的效率與器件的穩定性。因此，發展新的方法構筑有序可控的金屬納米結構，在提高導電性與光透過率的同時不損失電荷在界面處傳輸的效率，將是提升柔性鈣鈦礦太陽能電池效率的有效途徑。
本文要點
要點一：利用氣泡模板法組裝并轉印的透明銀網格兼具低方阻、高透光、低粗糙度等特點。
展開 用于電子器件熱管理的高導熱性和低導電性的柔性薄膜
PCMs憑借其優良的溫度控制和熱管理特性，被公認為過熱保護和電子器件的最佳熱管理材料。然而，固-液相變材料固有的導熱系數低、泄漏、剛性大是制約其在電子設備、5G等高端熱管理領域應用的關鍵問題。
此外，熱管理材料的導電性也應考慮在內電子設備。電子產品中有大量的電路集成芯片中，這將不可避免地產生漏電流。熱管理材料往往由于含有高導電性石墨烯、碳納米管(CNTs)等導電性高的導熱填料，因此容易引起短路。那么如何使相變材料具有優異的傳熱性能，同時能保持低的電導率下和優異的柔性是目前面臨的挑戰之一。
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成果掠影
大連理工大學唐炳濤教授在制備具有高導熱和低電阻、以及優異的柔性的熱管理材料方面取得新進展。本文提出了一種新型的柔性熱管理相變薄膜PCPU/mCNTs。作者將烷基化改性碳納米管（mCNTs）設計成相變聚氨酯（PCPU）體系。基于高電阻和mCNTs的導熱性能，制備出的PCPU / mCNT薄膜表現出增強的導熱性和高電阻。實驗結果表明，PCPU/ mCNTs薄膜具有優異的柔韌性、抗拉性(>6 MPa)、熱穩定性、高相變焓(>92 J/g)、高導熱系數和高電阻(比銅高5個數量級)。基于上述優異性能，PCPU/mCNTs薄膜可以通過相變和散熱的協同作用，有效地實現電子器件的熱管理。此外，PCPU/mCNTs薄膜還可以根據應用場景進行重塑和回收。該工作為電子器件熱管理材料的設計提供了一種新思路，未來應進一步關注該方法的普適性。
展開 中科院侯劍輝 Joule：可印刷陰極界面層在1cm2有機光伏器件中實現超過13%的能量轉換效率
【引言】
作為新一代光伏技術，有機太陽能電池（OSC）具有重量輕、制作工藝簡單、可通過廉價的印刷工藝制備大面積柔性器件等突出優點，已經成為一類具有重要應用前景的新型光伏技術。在過去的兩年里， OSC單層器件的能量轉換效率（PCE）已經超過14%，顯示出巨大的應用潛力。現階段，如何通過低成本、高產率的印刷工藝制備大面積器件已經成為有機光伏領域的研究熱點，也是實現OSC產業化的關鍵。然而，由于缺少可印刷的陰極界面層材料，使得印刷法制備大面積OSC器件的研究進展受到嚴重阻礙。
【成果簡介】
最近，中國科學院化學研究所侯劍輝研究員團隊發展了一種可印刷的有機小分子陰極界面層材料NDI-N。基于NDI-N，該團隊成功制備了1cm2的大面積器件，并獲得13.2%的PCE，這是目前報道的大面積器件的最高效率。研究成果于北京時間2018年11月16日以題為“A printable organic cathode interlayer enables over 13% efficiency for 1 cm2 organic solar cells”的研究論文發表在 Cell Press旗下的能源旗艦期刊 Joule 上。本文的第一作者為研究生康倩，所屬單位：中國科學院化學研究所，北卡羅來納州立大學。本文的通訊作者為許博為、 侯劍輝研究員。該研究不僅發展出一種新型的可印刷陰極界面層材料，還以此制備出目前效率最高的大面積器件，這對于有機光伏的產業化與實際應用具有重要意義。
在采用印刷工藝制備大面積器件的過程中，會不可避免產生薄膜厚度不均勻的問題。
展開 
一種普適性柔性電子器件快速制備技術
近年來液態金屬取得了突破性進展，其在現代柔性電子領域顯示出巨大的應用前景。
基于半液態金屬墨水及其在不同基底表面的選擇性粘附機理，劉靜清華理化所聯合實驗室提出了一種具有普適性的柔性電子超快速制造技術——SMART (semi-liquid metal and adhesion-selection enabled rolling and transfer)，相關工作發表在Science China Materials上。該技術成本低，可用于制備大面積高精度液態金屬線路，且制造速率遠遠超過經典電子制造及液態金屬電路打印技術。
圖1 半液態金屬選擇性黏附滾動涂覆與轉印(SMART)流程圖
圖2 一系列大面積導電圖案
劉靜等人制備了一系列具有優良的電學穩定性和適應性的柔性、可拉伸電路，如多層電路、大面積電路以及拉伸傳感器等。此外，基于該技術制備的液態金屬電路具有可回收的優點。該技術的實施無需復雜設備，有望在今后的工業生產和個人消費電子領域發揮重要作用。
該研究論文最近發表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9400-2。
展開 南工陳蘇教授團隊開發出微流控紡絲導向的碳量子點柔性穿戴器件
柔性可穿戴器件以其輕質、靈活柔韌和智能高效等特點將對未來穿戴帶來變革發展。在眾多柔性穿戴器件中纖維狀微型超級電容器是最具潛力的儲能器件。然而，目前所制備的導電纖維材料難以滿足超級電容器的要求，很難獲得電化學性能和機械性能兼俱佳的器件，特別是導電微納纖維材料的大規模有序制備也是該領域挑戰性研究課題之一。
基此，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室、化工學院陳蘇教授團隊在國家自然科學基金重點基金的資助下，從設計多孔結構材料入手，利用微流體紡絲機均勻成絲、大面積制備纖維為導向，以納米碳量子點等材料摻雜和限域微通道內自組裝成孔為手段，構筑了高機械強度、高能量密度輸出、具有柔性穿戴應用前景的碳量子點/石墨烯(CDs/Graphene)纖維超級電容器。該研究成果以“Enriched Carbon Dots/Graphene Microfibers towards High-Performance Micro-Supercapacitors”為題并作為封底發表在國際材料領域的重要刊物《Journal of Materials Chemistry A》（Qing Li,? Hengyang Cheng,? Xingjiang Wu,Cai-Feng Wang, Guan Wu* and Su Chen*， J. Mater. Chem.A, 2018, 6, 14112–14119）上。
該研究成果利用國內南京捷納思微流體紡絲機大規模制備碳量子點/石墨烯（CDs/Graphene）納米復合纖維（圖1、附圖2）。其設備可高效制備出有序微納結構纖維，在微流體限域通道內，親水性的納米碳量子點和石墨烯通過氫鍵和脫水-縮合作用自組裝橋連形成“Dot-Sheet”結構，從而提高了納米復合纖維的機械性能和電化學性能。
展開 產業研究 | PIF聚酰亞胺薄膜：在柔性電子器件中，為什么要求低熱膨脹系數和高透光性？
聚酰亞胺因其優異的耐熱性、尺寸穩定性、柔韌性等性能，在柔性器件中應用越來越廣泛。在柔性顯示或器件用聚酰亞胺技術方面，本周有6篇新公開專利，包括低CTE、高透光性、高Tg、高拉伸模量、提高膜透射率、耐彎折性等方向的研究。
本文分兩個部分：一、簡要介紹了低CTE的原因，實現聚酰亞胺薄膜（PIF）低CTE的方法。二、顯示用PIF要求高透光性的原因及常用方法的缺點。
聚酰亞胺是指分子鏈含有酰亞胺環的一類高分子材料，具有高力學性能、耐高低溫、阻燃、耐輻照等優異性能。其產品包括薄膜、纖維、樹脂、泡沫、復合材料等，廣泛應用于國防軍工、微電子、車輛、化工等領域。其中，薄膜材料作為聚酰亞胺最早的商品之一，應用于絕緣領域，主要產品有杜邦的Kapton，宇部興產的Upilex，鐘淵的Apical等。隨著科學技術的發展，電子產品逐漸向小型化、輕便化、可折疊方向發展，對柔性基板材料的耐熱性、尺寸穩定性、柔韌性提出了更高的要求，聚酰亞胺由于其優異的綜合性能，成為柔性基板領域最有潛力的應用材料。
一、柔性器件中，為何要求PIF具有低熱膨脹系（CTE）？
低熱膨脹系數：在柔性器件中，聚酰亞胺要與銅、硅片等材料結合在一起，如果兩種材料的熱膨脹系數各不相同，在受到冷熱作用后，就會發生翹曲、開裂。銅的熱膨脹系數是18ppm/℃，硅片在10ppm/℃以下，而普通聚酰亞胺薄膜的熱膨脹系數為40～60ppm/℃，因此降低熱膨脹系數是聚酰亞胺薄膜需要解決的問題之一。
當前降低PIF熱膨脹系數的方法有哪些呢？
方法一：PIF制備過程采用牽伸工藝，使分子鏈沿牽伸方向取向，從而降低薄膜的熱膨脹系數。
展開 天津大學黃顯教授團隊《Small》：用于神經系統刺激與監測的植入式柔性多通道光電纖維器件
光纖作為一種常見的光導器件，已經被廣泛應用于通信、物理化學傳感等領域，高效地利用它的表面積或許就能實現更多功能的集成，然而它彎曲的表面使得與其他電子元件的集成極具挑戰性。在生物醫學領域，相比于分離式的光纖與電極系統，利用光纖自身與光纖表面進行刺激與感測，就能夠實現植入物尺寸最小、 對組織的損傷最小。
鑒于此，天津大學生物醫學柔性電子實驗室黃顯教授結合柔性電子技術的研究背景，提出了一種新型的用于多腦區光刺激與生理監測的多通道植入式柔性光遺傳器件。該器件以柔性光纖作為載體，將不同波長的光傳輸到特定的腦區，用于對特定神經元進行光調控，與此同時，該設計充分利用了光纖彎曲的表面，在光纖側壁集成了柔性電極陣列，用于探測神經元的動作電位監測神經元的活動（圖1a）。柔性電極陣列與柔性光纖的緊密結合經過了三次轉印（圖1b），這種利用柔性基底進行轉印的技術也可以用于其他柔性電子器件與曲面結構的完美貼合，文章中以柔性三電極電化學傳感器與光纖的集成作為例子進行了展示。該器件的功能和時序由無線電路控制，并由鋰電池供電，可以固定在自由活動的大鼠頭上同時不會影響大鼠的正常活動，器件柔性的特點也使得植入深度可以自由調節（圖1c-e）。
圖1. 多通道植入式柔性光遺傳器件的工作示意圖及器件結構圖
研究團隊對該器件的光學、電學等方面性能進行了體外的表征測試，并將該器件植入麻醉大鼠的四個腦區中（圖2a）。
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