斯坦福鮑哲南團隊突破性進展：更易量產的柔性電子材料，「一個全新電子世界」即將來臨

作為材料學和電子學領域的一大熱門方向，柔性電子學的研究一直頗受關注。目前，基於有機高分子，在柔性可拉伸電子材料的研發上已取得一定突破，但是，受限於沒有適用於高分子材料的電子製造工藝，利用柔性電子材料所製成的功能性電子器件還從未實現過，導致這一領域的發展無法從材料學研發進展到真正的電子學研發。

過去的近 20 年來，斯坦福大學的材料學家鮑哲南一直致力於探索兼具柔性和電子性能的材料，以製備仿皮膚性能的電子器件去幫助那些失去觸感的人恢復部分感覺。

圖丨利用類皮膚材料製造的產品，符合手的複雜曲線。（來源：斯坦福大學）

近日，她所領導的團隊實現了在柔性電子上取得了突破性進展，第一次實現了具有高度拉伸性的晶體管陣列和電子運算電路，朝著實現柔性電子功能器件的目標又邁進了一大步，研究成果發布在《Nature》上。

圖丨美國工程學院院士，美國斯坦福大學化學工程系教授鮑哲南，也是斯坦福Bio-X研究院、斯坦福普雷科特能源研究所、斯坦福神經科學研究所以及斯坦福伍茲環境研究所附屬機構的成員，建立並管理斯坦福可穿戴電子計劃「eWEAR」

在團隊的這一最新成果中的一大應用突破，他們創造了一種可拉伸的高分子電子材料電路，這個電路集成了集成了基於晶體管陣列的有源矩陣以及觸摸感測器，可以探測瓢蟲的細微足跡，這也讓「人造皮膚」在功能上更接近人的真實皮膚。

本次成果的第一作者、鮑哲南教授團隊的博士後王思泓與文章共同第一作者徐潔博士對 DT 君說：「人的皮膚所具有的觸覺功能，很重要的一個特點是高密度的天然機械感受器（mechanoreceptor）賦予了皮膚靈敏高解析度的多點感知功能。通過實現可拉伸的有源矩陣（active matrix）作為背板電路，我們突破了可拉伸觸覺感測器的高密度集成的最重要的技術壁壘，使得『人造皮膚』在觸覺功能上大大接近了真實的皮膚，可以感受物體位置的變化，表面的粗糙程度等」。

圖丨王思泓、徐潔

除了讓「人造皮膚」更加智能以外，鮑哲南團隊還實現了另一個更為實用的效果：賦予其柔軟可拉伸的特性，讓其在機械形態上更加接近真實皮膚。

團隊開發的可拉伸電子器件（晶體管和電路）可擴展到原尺寸的2 倍，並恢復原樣，同時保持其導電和運算能力，且不產生裂紋、分層或皺褶。為了測試壽命，研究團隊伸展樣品 1000 多次，樣品並沒有產生嚴重的損壞和敏感缺失。

王思泓與徐潔對 DT 君表示，相關技術在未來最重要的一個應用方向之一就是「腦機界面」：「大腦產生的神經電信號具有很弱的幅度，因此，利用具有信號放大功能的有源器件（晶體管）來構建大腦神經信號的測量界面，對於提高信號採集的信噪比進而提升神經信息的讀取能力至關重要。另一方面，大腦又是極其柔軟並且敏感的，因此長期穩定工作的腦機界面需要具有與大腦相匹配的力學屬性，從而不引發免疫反應。我們這一技術首次將這兩個方面統一了起來，因此在將來有望發展為更加理想的腦機界面技術」。

圖丨人類手腕內側粘貼著有集成了6300個晶體管的可拉伸大型陣列。面積大約為 4.4×4.4cm2

不過，相比更為遙遠的「腦機界面」，他們開發的能夠大規模製備可伸縮電子材料的方法，很有可能成為柔性電子產品實現技術商業化的關鍵步驟，加速柔性電子產品的普及進度條，並為可拉伸高解析度顯示屏、其他類型感測陣列的開發提供更大可能性，最終帶來可穿戴電子產業的革命性變革。

更易量產的製造工藝

事實上，市面上已經出現一些可摺疊電子器件，然而，能做到可拉伸的電子器件卻幾乎沒有。另外，此前的柔性電子技術都是基於傳統無機電子材料（如硅等），往往得犧牲電子器件的密度才能夠實現可拉伸的效果，不僅局限性較大，而且製造工藝複雜，產率很低。

製造可拉伸電子器件需要可拉伸材料，尤其是可拉伸半導體和導體，且在大應變下（變形下）也具有穩定的導電性。而高分子電子材料已經被證明是最有前途的能用於實現兼具高電氣性能和拉伸性的一類材料。鮑哲南團隊同樣使用了高分子電子材料這種可拉伸材料作為基體（即主要聚集體）實現拉伸性。

圖丨顯微鏡下的晶體管陣列與晶體管陣列放大圖

鮑哲南表示，該生產工藝涉及幾層新型高分子電子材料，它們有些是可拉伸導體材料，一些是提供半導體性能的可拉伸高分子材料，還有一些是作為器件中的可拉伸絕緣體材料。

但材料只是第一步，我們還需要相應的製造技術，才能將這些材料成功整合到晶體管陣列中來實現具有柔軟特性的電子電路。

正如鮑哲南教授所說的：「人造皮膚和柔性電子器件的研究已經走過了很漫長的道路，但沒有人知道製造可伸縮電路的可靠方法。」

電子元件製造工藝流程需要保證器件的高成品率、性能的穩定性、各層之間良好的材料兼容性以及良好的電氣和機械性能。

王思泓、徐潔也對 DT 君透露，他們所開發的可伸縮柔性晶體管陣列的製造方法中，最重要的難點有兩方面：首先，對於具有可拉伸性的高分子電子材料，其可加工性（包括薄膜生長和陣列化）一般都是通過溶解在有機溶劑中獲得的，但與此同時，加工好的高分子薄膜，又往往很容易被許多有機溶劑破壞。因此，對於這種需要全部基於溶液的多層高密度陣列器件的製造，如何使得每一層材料的加工工藝達到全部互相兼容，同時不影響所有功能材料的性能，這是最大的挑戰。

圖丨製造工藝流程

其次，可拉伸電子材料現在正處在快速發展中，因此，這一製造工藝最好具有材料的普適性，甚至可以將以後研發出的更高性能的材料直接用到電子器件和電路的性能提升中。

具體到團隊製造出的可拉伸晶體管陣列上，整個製造過程使用活性組分的逐層沉積（layer-by-layer），這樣就避免通常由於通過物理粘附剝離的轉移工藝而導致的低成品率和糟糕的性能穩定性。

而為了確保基板與這些新材料的良好兼容性，他們在硅晶片上塗有水溶性犧牲層（葡聚糖），以使器件能夠最終釋放到可拉伸基板上。然後，沉積並光刻可拉伸電介質圖案於基板上。接著，連續沉積並光刻圖案用於源極/漏極電極（與第一層互連）以獲得頂部接觸結構。最後，將整個器件壓到裝置上，將其浸泡在水中，以將器件從剛性基材上釋放。

但是，還有一個問題是，一般情況下，以高分子電子材料為基板的可拉伸電子材料它們與標準光刻微細加工技術不兼容，因此生產技術具有很高的挑戰性。

為了對通常與傳統光刻工藝不兼容的可拉伸高分子電子材料半導體進行圖案化，研究團隊制定了兩種策略：第一種是基於蝕刻工藝，使用氟化高分子電子材料作為犧牲層的銅掩模保護，其溶劑不會溶解裝置的其他現有組件。在將薄膜沉積與圖案化工藝分開時，該方法普遍適用於各種可拉伸半導體製造而不犧牲其電性能。第二種策略是使用噴墨列印用於大規模製造的圖案化工藝方法，它尤其非常適用於具有良好溶解性的高分子電子材料半導體。

拉伸至原先 2 倍，循環 1000 次仍性能穩定

上述的製造工藝最終可以實現在 4.4×4.4cm2 的面積上集成 6300 個晶體管。現在，鮑哲南團隊已經生產出了可拉伸晶體管陣列，其晶體管密度約為每平方厘米 347 個晶體管，並且具有高達 100％的可拉伸性，即拉伸之後面積為原來的 2 倍。

圖丨作為「人造皮膚」核心構建塊的可拉伸晶體管陣列的三維圖

整個晶體管陣列於在非潔凈室環境中製造完成，由於介質層的泄漏，108 個晶體管中只有 6 個晶體管失效，總產率為 94.4％，性能均勻性高，具備具有理想的開關特性。此外，10V 左右的低工作電壓使器件能夠適用於皮膚上（通常而言，乾燥下，人體安全電壓值為 24V 以下，潮濕下為 12V）。

圖丨指尖上的108個可伸縮晶體管組

這樣的晶體管陣列是半透明的，具有皮膚一致性和可拉伸性，可以在平行和垂直於電荷傳輸方向拉伸至原來的 2 倍，並沒有觀察到裂紋，分層或皺紋。

這是通過「准均勻」機械結構設計實現的。具體而言，所有主要的薄膜器件主要是基於 SEBS 的（即電介質、襯底和 CONPHINE 半導體的 70％），界面剪切和垂直應力（拉伸下主要的分層原因）被有效抑制。在平行和垂直方向下拉伸的晶體管的電氣性能即使在拉伸至原來兩倍時也是高度穩定的。這種可拉伸晶體管陣列在兩個方向上重複拉伸至原來的 2 倍且循環 1000 次時也顯示出前所未有的機械穩健性。

此外，該陣列具有極高的可拉伸性（最大程度可拉伸至原來的 6 倍），即使受到壓力，扭曲和雙軸拉伸時也表現出非常穩定的電氣性能。

圖丨成品晶體管示意圖

而在人造皮膚成為可能之前，鮑哲南團隊研發的工藝能夠製造可摺疊可伸縮的觸摸屏、電子織物或者用於醫學領域的「皮膚補丁」。

徐潔表示，該樣品性能強大，甚至是在形狀不規則的表面上。最有希望的是，該製備工藝可能成為評估其他研究人員製備的其他柔性電子材料的一個平台。

但是，在這些新材料和新工藝具備與剛性硅基電路相同功能之前，仍然還有很多工作要做。「首先，我們團隊必須提升樣品的電子速度和性能。我認為我們正處在一個全新電子世界的邊界」，鮑哲南說。

王思泓與徐潔也認為，在這個全新的電子世界，電子器件將具有前所未有的形態，不再只是堅硬的塊體，而是可以像人體皮膚或組織一樣柔軟有彈性，從而可以前所未有的方式和人體緊密結合，實現許多現在實現不了或者甚至還無法想像的功能，通過電子的方式進一步提高人類的健康水平和生活質量。

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