作者:陈建华等 来源:《自然-材料》 发布时间:2022/5/2 23:12:15
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有效免疫应力影响的可拉伸有机电化学晶体管

 

北京时间2021年5月1日晚23时,云南大学的陈建华副研究员、电子科技大学黄伟研究员,联合大连理工大学解兆谦教授、香港城市大学于欣格教授、Northwestern University 郑丁研究助理教授、Tobin J. Marks教授、 Antonio Facchetti教授在Nature Materials上发表了一篇题为“Highly stretchable organic electrochemical transistors with strain-resistant performance”的研究成果。

研究者们通过融合高性能电子离子复合半导体与“有序多孔+预拉伸”新型器件结构,研发了有效免疫应力影响的可拉伸有机电化学晶体管(organicelectrochemicaltransistor,OECT)。在最高至140%的拉伸条件下,保持了稳定的性能输出,实现了复杂应力条件下生物电信号的实时传感放大与类神经突触功能。

论文通讯作者是黄伟、郑丁、解兆谦、于欣格、Tobin J. Marks和Antonio Facchetti;第一作者是陈建华、黄伟。该研究还得到了南方科技大学郭旭岗教授、电子科技大学于军胜教授、程玉华教授的悉心指导。

在可穿戴电子、人机接口和仿生机械等应用领域,兼具优良机械弯折性与高稳定输出特性的元器件是下一代传感器及其系统必不可少的组成部分。其中,有机电化学晶体管(OECT)具有结构简单、工作电压低(< 1V)、生物相容性好、传感灵敏度高、以及电流放大能力优异等优势,在生物信号检测监测、疾病诊断、人机交互等领域展示出广阔的应用前景。特别是近年来,具有良好柔性甚至可拉伸特性的高性能OECT被陆续研制成功,进一步拓展了OECT在可穿戴的及时检测、无感检测等方面的应用。然而,当前柔性电子的研究多关注器件受到机械应力后的器件稳定性,忽视了在应力施加过程中信号输出特性的变化。柔性可拉伸元器件在机械变形下维持稳定的电荷传输性能是保证其可靠应用的前提。虽然当前针对OECT材料的设计、性能、以及离子-电子传输机制等方面的研究逐渐深入,但是制备在拉伸条件下稳定输出的OECT仍是该领域的重点和难点。其原因在于拉伸过程中OECT器件尺寸以及活性层厚度的改变将显著影响离子和电子的传输效率和路径,并进一步影响其输出特性。

近日,云南大学联合电子科技大学、大连理工大学、香港城市大学、Northwestern University等联合报道了一种能有效免疫复杂应力影响的可拉伸OECT及其传感器的新方法,通过结合有序蜂窝状半导体聚合物制备方法与双向预拉伸技术,成功研制了最高可拉伸至140%的OECT,且其输出特性在可拉伸范围内保持了高度稳定。

图1:聚合物的化学、氧化还原、光学、电学性能和膜形态。a)聚合物的分子结构,b)循环伏安法曲线,c)旋涂制备的OECT的器件性能,d)基于转移薄膜的OECT制备流程,e)蜂窝状聚合物薄膜的光学和SEM图像,f)基于转移致密与蜂窝状薄膜的OECT的器件性能,g)基于转移蜂窝状薄膜的OECT的瞬态特性。

通过材料设计,将亲水的乙二醇侧链引入到基于吡咯并吡咯二酮的聚合物DPP-g2T中,不仅能够有效地提升材料的亲水性、电化学稳定性、以及OECT性能,同时也提升了材料的力学性能。双亲性的分子设计,也有利于制备结构规整的蜂窝状结构薄膜。由于蜂窝状结构的聚合物薄膜具有更快的离子迁移和交换速率,基于蜂窝状结构的OECT显示出了更高更稳定的器件性能。

图2:致密以及蜂窝状结构的有限元模拟、拉伸性能和电学性能。a)Free-standing薄膜的有限元分析,b)弹性体上薄膜的有限元分析,c)薄膜出现微观裂纹的开始应变,d、e)不同拉伸状态下薄膜的电学性能。

有限元理论计算发现蜂窝状结构具有独特的力学优势,在拉伸过程中通过面外屈曲变形,有效抑制了应力集中现象。相比于致密结构的薄膜,蜂窝状结构不仅具有更高的拉伸性能,同时其与弹性基底之间的剥离也能明显降低,从而有利于OECT的器件稳定性。通过对本征拉伸的致密、蜂窝状的SEM形貌表征以及OECT性能表征发现,实验结果与理论计算吻合。

图3:a)基于致密、蜂窝状薄膜的预拉伸过的OECT的制备流程,b)不同应变拉伸以及重复拉伸释放应力后的SEM图像。

虽然基于蜂窝状结构的OECT具有良好的拉伸能力,然而受限于OECT器件构型本身的影响,拉伸过程中器件尺寸和活性层厚度的改变导致输出电流不稳定。为解决这一问题,结合双向预拉伸策略,研究团队制备了可拉伸OECT,并通过SEM对活性层形貌进行了表征。研究发现致密的薄膜在释放应力之后发生严重的堆积,在重新拉伸并释放应力后,其形貌不能复原;而蜂窝状的薄膜在释放应力后并未完全堆积,而且具有良好的形貌稳定性,重复拉伸并释放应力后,形貌并未发生明显改变,因此有利于获得稳定的电流输出。

图4:a.b)基于蜂窝状薄膜100%应变预拉伸过的OECT在不同方向以及应变下的电学性能,c)不同方向30%应变下不同拉伸次数的跨倒和输出电流变化,d)基于蜂窝状薄膜150%应变预拉伸过的OECT在不同方向以及应变下的电学性能。

得益于预拉伸策略以及蜂窝状结构的力学优势,基于蜂窝状薄膜的预拉伸过的OECT显示出优异的器件稳定性。其输出电流、启动电压、跨倒等参数,在双轴拉伸应变未达到预拉伸应变时,几乎没有发生变化。30%应变下拉伸10000次后,性能退化可以忽略不计,显示出优异的稳定性。超过预拉伸应力之后,由于金属电极的断裂导致器件失活,因此通过制备可拉伸电极可以解决这一问题。相比于蜂窝状薄膜,基于致密薄膜的OECT在拉伸过程中电流衰减明显,主要是由于活性层与电极之间的剥离所导致,由此证明了蜂窝状结构的必要性。

图5:OECT在不同拉伸状态下的心电图(ECG)检测结果和突触模拟特性。

将基于蜂窝状薄膜100%应变预拉伸过的OECT应用于心电图(ECG)的检测和人工突触研究,均显示出优异的性能,而且当双向拉伸应变在60%内,其输出信号未见明显影响,将有效促进OECT及相关柔性电子及传感器在柔性可拉伸生物电子领域的应用。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-022-01239-9

 
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