生物組織一般由能夠自修復(fù)和可拉伸的物質(zhì)組成，而電子器件往往由硬質(zhì)材料制得。開(kāi)發(fā)新材料，不斷縮小生物世界和電子世界的鴻溝，得到柔性可穿戴、自修復(fù)的電子器件，是科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。
可拉伸薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管是制備可穿戴電子器件必不可少的元件，目前，可拉伸薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法大致可分為以下3大類(lèi)：
1. 將剛性的半導(dǎo)體置于小的柔性“島狀”結(jié)構(gòu)上，包埋或者置于橡膠等高彈性的材料上，通過(guò)可拉伸的線連接。這種方法可將高性能的微電子器件直接集成到可拉伸材料中。
圖1. “島狀”可拉伸晶體管
參考文獻(xiàn)：S. P. Lacour, Z. Suo et al. Stretchable Interconnects for Elastic Electronic Surfaces. Proc. IEEE 2005, 93, 1459–1467.
2. 用含有柔性的有機(jī)或無(wú)機(jī)電子元件的箔片壓印于預(yù)拉伸的橡膠上，當(dāng)橡膠松弛，覆蓋部分起皺，并允許器件沿著預(yù)拉伸的方向進(jìn)行再次拉伸。
圖2. “褶皺型”可拉伸晶體管
參考文獻(xiàn)：Martin Kaltenbrunner, Takao Someya et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature 2013, 499, 458–463.
3. 利用分子尺度的可拉伸性，在橡膠中引入導(dǎo)體或者半導(dǎo)體納米管或納米線構(gòu)建的可滲透的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，或者將柔性材料引入硬質(zhì)半導(dǎo)體化聚合物而不改變其電荷傳遞路徑。
圖3. 本征可拉伸聚合物半導(dǎo)體晶體管
參考文獻(xiàn)：Brendan O'Connor, Dean M. DeLongchamp et al. Anisotropic Structure and Charge Transport in Highly Strain-Aligned Regioregular Poly(3-hexylthiophene). Adv. Fun. Mater. 2011, 21, 3697-3705.
前2種方法主要是致力于橡膠等柔性基底的可拉伸性和剛性導(dǎo)體/半導(dǎo)體的電學(xué)性能的兼容性，讓剛性電學(xué)材料在橡膠等彈性體上實(shí)現(xiàn)彎曲和拉伸行為。而第3種方法，則是基于半導(dǎo)體本征分子可拉伸性構(gòu)建晶體管，該方法不僅有利于實(shí)現(xiàn)更大程度和多種模式的柔性和可穿戴性，而且更容易通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)制程來(lái)制備可拉伸晶體管。
有鑒于此，斯坦福大學(xué)鮑哲楠課題組利用非共價(jià)連接機(jī)理，開(kāi)發(fā)了一種晶態(tài)和非晶態(tài)共存的半導(dǎo)體化聚合物薄膜和自修復(fù)和可拉伸的有機(jī)半導(dǎo)體晶體管，為柔性可穿戴電子器件帶來(lái)了新的福音！
圖4. 自修復(fù)可拉伸有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管示意圖
圖5. 自修復(fù)可拉伸有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管制備與自修復(fù)
考慮到氫鍵很容易斷裂，并容易通過(guò)加熱或者溶劑濕氣重新形成，研究人員在PDCA（2,6-pyridine dicarboxamide）柔性骨架中引入氫鍵，不僅使材料高度可拉伸，而且確保高效的電荷傳遞。1）通過(guò)改變半導(dǎo)體化聚合物的分子結(jié)構(gòu)，引入晶態(tài)組分，用于增強(qiáng)電荷傳遞；2）非晶態(tài)部分通過(guò)氫鍵交聯(lián)，承受拉伸應(yīng)力，而不改變電學(xué)特性。
據(jù)報(bào)道，這種聚合物薄膜縫隙可承受?chē)?yán)重的拉伸行為，并通過(guò)溶劑蒸汽或者加熱實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，恢復(fù)到原始的形態(tài)和電學(xué)性能，場(chǎng)效應(yīng)遷移性能>1 cm2 V-1 s-1。
Oh等人正式按照第3類(lèi)方法，利用晶態(tài)非晶態(tài)混合的聚合物半導(dǎo)體化制備得到可拉伸的晶體管，遷移率高達(dá)1.3 cm2 V-1 s-1，開(kāi)關(guān)電流比高達(dá)百萬(wàn)以上。按照實(shí)際應(yīng)用中的常規(guī)強(qiáng)度，進(jìn)行500次循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)，仍然可以維持晶體管的電學(xué)性能。將晶體管安裝在人體手臂上，經(jīng)過(guò)各種常規(guī)運(yùn)動(dòng)，仍然可以維持較高的電荷-載流子遷移率。
圖6. 可拉伸有機(jī)晶體管
值得注意的是，這項(xiàng)研究成果還有以下價(jià)格地方需要進(jìn)一步優(yōu)化：
1）晶體管的可拉伸性和持久性不如島狀或者褶皺狀柔性器件。
2）晶體管需要較高的操作電壓，不適合人體接觸。如何減小晶體管的尺寸，尤其是控制電極和晶體管半導(dǎo)體之間絕緣層的厚度的減小，是降低操作電壓的關(guān)鍵。
3）用于自修復(fù)的溶劑蒸汽會(huì)影響人體穿戴。
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1. Jin Young Oh, Zhenan Bao et al. Intrinsically stretchable and healable semiconducting polymer for organic transistors. Nature 539, 411–415.
2. Siegfried Bauer and Martin Kaltenbrunner. Materials science: Semiconductors that stretch and heal. Nature 539, 365–367.
