全彈性電子設(shè)備和集成系統(tǒng)可用于創(chuàng)建人機(jī)界面、人造皮膚、智能醫(yī)療系統(tǒng)和可植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。這種技術(shù)需要彈性半導(dǎo)體，器件通常只使用彈性p型半導(dǎo)體。然而，互補(bǔ)電子、光電子和p-n結(jié)型器件(如二極管、光電探測(cè)器和太陽(yáng)能電池)也需要彈性n型半導(dǎo)體。拉伸n型半導(dǎo)體的發(fā)展受到現(xiàn)有n型有機(jī)半導(dǎo)體固有材料特性的限制，其中包括穩(wěn)定性差和電荷傳輸效率比p型半導(dǎo)體低，這是由于氧和濕氣的電荷俘獲。此外，n型有機(jī)半導(dǎo)體通常是剛性的，很少有賦予它們機(jī)械拉伸性的策略。
鑒于此，賓夕法尼亞州立大學(xué)/休斯敦大學(xué)余存江等人報(bào)道了一種基于彈性體-半導(dǎo)體-彈性體（ESE）堆疊結(jié)構(gòu)的可拉伸n型有機(jī)半導(dǎo)體，可以使脆性n型有機(jī)半導(dǎo)體具有機(jī)械拉伸性。成果發(fā)表在Nature Electronics上。
值得注意的是，一年不到的時(shí)間，該課題組已經(jīng)在Nature Electronics上發(fā)表了3篇研究論文。上一年11月份，余存江等人開(kāi)發(fā)了一種新型的基于橫向相分離誘導(dǎo)的微網(wǎng)格橡膠狀半導(dǎo)體薄膜。
上一年9月份，余存江教授率領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)了一種利用可拉伸雙層半導(dǎo)體構(gòu)建的可重構(gòu)突觸晶體管。這種可拉伸突觸晶體管可以在機(jī)械應(yīng)變下表現(xiàn)出抑制和興奮特性，并允許突觸功能的切換。
研究人員將聚[（N，N′-雙（2-辛基十二烷基）-萘-1,4,5,8-雙（二羧酰亞胺）-2,6-二基）-alt-5,5′-（2,2′-二噻吩）]（P（NDI2OD-T2）或N2200）用作n型半導(dǎo)體層，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚氨酯（PU）的彈性體膜用于任一側(cè)，分別用作襯底和柵極電介質(zhì)。堆疊結(jié)構(gòu)提高了機(jī)械拉伸性，并抑制了本質(zhì)脆性N2200半導(dǎo)體中微裂紋的形成和傳播，如拉伸應(yīng)力測(cè)試、不同應(yīng)變下的電荷傳輸測(cè)量和穩(wěn)定性測(cè)試所示。該結(jié)構(gòu)抑制了微裂紋的形成和擴(kuò)展，并且可以在沿著和垂直于溝道長(zhǎng)度方向的50%的拉伸應(yīng)變下保持高的器件性能。
圖|可拉伸n型ESE堆疊
圖|可拉伸n型有機(jī)晶體管陣列
研究人員使用n型半導(dǎo)體堆疊來(lái)制造伸縮晶體管、光電子和集成電子器件，包括數(shù)字邏輯門(mén)（NAND和NOR）、偽互補(bǔ)反相器、光電探測(cè)器和集成曲率可調(diào)成像器。除此之外，由于彈性體電介質(zhì)在半導(dǎo)體和周?chē)h(huán)境之間形成物理屏障，器件在周?chē)h(huán)境中也能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作100天以上。
圖|曲率可調(diào)成像儀
綜上所述，本文報(bào)道了由PDMS、n型有機(jī)半導(dǎo)體N2200和PU組成的可拉伸ESE堆疊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)減少了在機(jī)械變形下脆性N2200膜內(nèi)裂紋的形成和擴(kuò)展，并增強(qiáng)了其在周?chē)h(huán)境中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種策略也可以應(yīng)用于包括非有機(jī)物在內(nèi)的其他類別的脆性材料。n型堆疊用于創(chuàng)建可拉伸晶體管、光電子器件和邏輯門(mén)，其表現(xiàn)出高達(dá)50%應(yīng)變的穩(wěn)健操作。與它們的剛性對(duì)應(yīng)物相比，可拉伸的n型ESE堆疊有可能用于制造完全可拉伸格式的集成電子產(chǎn)品，而無(wú)需使用專用架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可拉伸性。用該ESE堆疊方法制造的彈性n型半導(dǎo)體可用于生物電子學(xué)、可穿戴設(shè)備、軟機(jī)器人和大規(guī)模集成電路的開(kāi)發(fā)。
參考文獻(xiàn)：
Shim, H., Sim, K., Wang, B. et al. Elastic integrated electronics based on a stretchable n-type elastomer–semiconductor–elastomer stack. Nat Electron (2023).
https://doi.org/10.1038/s41928-023-00966-4
