直接光刻高分子半導(dǎo)體：構(gòu)建低電壓、高穩(wěn)定可拉伸互補(bǔ)電路

近年來，類皮膚電子（skin-inspired electronics）在可穿戴健康監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)器人以及植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，真正實(shí)現(xiàn)與人體組織“無縫融合”的電子系統(tǒng)，仍面臨關(guān)鍵瓶頸：一方面，傳統(tǒng)電子器件難以承受大幅拉伸；另一方面，盡管已有可拉伸晶體管取得進(jìn)展，但大多數(shù)仍停留在單極型（p型）器件，難以構(gòu)建高性能、低功耗的互補(bǔ)電路體系。尤其是n型材料性能不足、層層溶液加工過程中的性能衰減，以及難以實(shí)現(xiàn)高密度、可擴(kuò)展制造，使得可拉伸互補(bǔ)電路的發(fā)展長(zhǎng)期受限。

針對(duì)上述難題，斯坦福大學(xué)鮑哲南院士團(tuán)隊(duì)提出了一種基于“可直接光刻圖案化高分子半導(dǎo)體”的全新策略，成功實(shí)現(xiàn)了全溶液加工、本征可拉伸的有機(jī)互補(bǔ)電路。研究通過將高性能n型聚合物嵌入彈性體網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合對(duì)p型材料的氟化保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了p/n雙極材料的連續(xù)光刻加工。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可在100%拉伸下穩(wěn)定工作的邏輯門和環(huán)形振蕩器，且工作電壓低至2 V。這一成果不僅突破了材料與工藝的雙重限制，也為高性能柔性電子系統(tǒng)的規(guī)�；圃焯峁┝诵侣窂�。相關(guān)成果以“Intrinsically stretchable complementary circuits based on direct photo-patternable polymer semiconductors”為題發(fā)表在《Nature Electronics》上，第一作者為Qianhe Liu。

從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，這項(xiàng)工作的核心在于重新設(shè)計(jì)“材料+工藝”的協(xié)同體系。如圖1a所示，研究構(gòu)建了一種典型的可拉伸互補(bǔ)反相器結(jié)構(gòu)，其中p型與n型半導(dǎo)體、介電層及電極均可實(shí)現(xiàn)柔性與拉伸。圖1b進(jìn)一步展示了完整器件的分層結(jié)構(gòu)——所有功能層均通過溶液法逐層構(gòu)建，無需傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移工藝，使得器件更適合大面積制造。更關(guān)鍵的是，在圖1c和圖1d中，作者提出了一種新的材料設(shè)計(jì)理念：通過共價(jià)交聯(lián)和光刻圖案化，使p型與n型材料能夠在同一體系中連續(xù)加工且互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的互補(bǔ)電路集成。

圖1： 展示可拉伸互補(bǔ)電路的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料策略，包括器件結(jié)構(gòu)、分層制造及p/n材料的光刻圖案化流程。

圍繞這一理念，研究首先突破的是n型半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)難題。如圖2a所示，團(tuán)隊(duì)將高性能n型聚合物F4BDOPV-2T嵌入彈性體BA基體中，形成一種“納米纖維網(wǎng)絡(luò)+橡膠基底”的復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于相分離：如圖2b的AFM形貌所示，剛性半導(dǎo)體形成連續(xù)纖維網(wǎng)絡(luò)，而柔性彈性體填充其間，使材料在拉伸時(shí)能夠通過網(wǎng)絡(luò)變形而非斷裂來釋放應(yīng)力。進(jìn)一步的光譜與X射線分析（圖2c、2d）表明，這種復(fù)合并未破壞分子堆積結(jié)構(gòu)，反而在一定程度上增強(qiáng)了鏈間相互作用，從而保持甚至優(yōu)化電學(xué)性能。在電學(xué)性能方面，圖2e與圖2f展示了不同配比材料的晶體管性能。令人驚喜的是，當(dāng)彈性體與半導(dǎo)體比例為1:1時(shí)，器件仍可保持接近原始材料84%的電子遷移率，同時(shí)顯著提升環(huán)境穩(wěn)定性。這說明，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在“柔性”和“高性能”之間實(shí)現(xiàn)平衡，而這正是可拉伸電子長(zhǎng)期以來的核心難題之一。

圖2： 解析n型半導(dǎo)體與彈性體復(fù)合后的微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能及分子堆積特性。

進(jìn)一步的機(jī)械測(cè)試揭示了該材料的真正優(yōu)勢(shì)。如圖3a所示，純半導(dǎo)體薄膜在25%應(yīng)變時(shí)即出現(xiàn)裂紋，而復(fù)合材料可在100%拉伸下保持完整。AFM圖像（圖3b）清晰顯示，在極限拉伸后，復(fù)合材料仍保持連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，圖3c中的偏振光測(cè)試表明，材料在拉伸過程中會(huì)發(fā)生鏈取向，從而有助于維持甚至提升載流子傳輸能力。這一點(diǎn)也在器件測(cè)試中得到驗(yàn)證：如圖3e所示，復(fù)合材料晶體管在100%拉伸下仍保持97%的遷移率，而傳統(tǒng)材料性能大幅下降。

圖3： 展示材料在拉伸條件下的機(jī)械穩(wěn)定性與電學(xué)保持能力，包括裂紋抑制與遷移率變化。

在材料之外，工藝創(chuàng)新同樣關(guān)鍵。圖4a展示了一種“直接光刻圖案化”策略：通過紫外光激發(fā)交聯(lián)反應(yīng)，使材料在曝光區(qū)域固化并具備溶劑穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)一步成型的圖案化。圖4b與4c進(jìn)一步證明，該方法不僅能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)圖案，還不會(huì)破壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。更重要的是，如圖4e所示，即使經(jīng)過圖案化處理，器件在拉伸狀態(tài)下依然保持優(yōu)異性能，這為復(fù)雜電路制造提供了可能。然而，在實(shí)現(xiàn)p/n雙極材料集成時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵問題浮現(xiàn)：后續(xù)加工會(huì)破壞已有層的性能。對(duì)此，研究提出了“氟化保護(hù)”策略（圖4f），通過在p型材料表面引入氟化分子，形成保護(hù)層，從而避免在后續(xù)n型材料加工過程中發(fā)生性能衰減。對(duì)比圖4g與圖4h可以看出，這一策略成功將漏電流降低了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，使多層結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定構(gòu)建。在材料與工藝雙重突破的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)最終實(shí)現(xiàn)了完整的可拉伸互補(bǔ)電路系統(tǒng)。圖4i展示了基本的反相器（NOT門），其在不同電壓下均能實(shí)現(xiàn)清晰的邏輯輸出。更重要的是，如圖4j和圖4k所示，該器件在100%拉伸下仍保持穩(wěn)定增益（>10），且工作電壓低至2 V，遠(yuǎn)優(yōu)于以往可拉伸電子器件。

圖4： 介紹直接光刻圖案化方法及其在互補(bǔ)反相器中的應(yīng)用，同時(shí)展示氟化保護(hù)策略。

進(jìn)一步地，研究擴(kuò)展至更復(fù)雜邏輯單元。如圖5a–c所示，NAND門在不同輸入組合下均能輸出正確邏輯，并在拉伸狀態(tài)下保持穩(wěn)定。同樣，圖5d–f展示了NOR門的可靠運(yùn)行。這些結(jié)果表明，該體系不僅適用于單一器件，更具備構(gòu)建復(fù)雜電路的能力。最終，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了三階環(huán)形振蕩器（圖5g–i），實(shí)現(xiàn)了連續(xù)信號(hào)輸出。即使在100%拉伸條件下，器件仍能維持振蕩行為，盡管頻率略有下降，但整體功能穩(wěn)定。這標(biāo)志著可拉伸電子從“單器件”邁向“系統(tǒng)級(jí)電路”的重要一步。

圖5： 展示復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)，包括NAND、NOR邏輯門及環(huán)形振蕩器在拉伸狀態(tài)下的性能表現(xiàn)。

總結(jié)與展望

總體來看，這項(xiàng)研究通過材料設(shè)計(jì)與制造工藝的協(xié)同創(chuàng)新，首次實(shí)現(xiàn)了高性能、本征可拉伸的互補(bǔ)有機(jī)電路體系。其核心突破在于：構(gòu)建了兼具高遷移率與高拉伸性的n型材料，實(shí)現(xiàn)了p/n材料的連續(xù)光刻加工，并成功演示了低電壓、高穩(wěn)定性的邏輯電路與振蕩器。這一成果為未來柔性電子、生物電子以及智能可穿戴系統(tǒng)奠定了重要基礎(chǔ)。展望未來，隨著材料性能進(jìn)一步優(yōu)化及集成度提升，這類“像皮膚一樣柔軟”的電子系統(tǒng)，有望真正融入人體，實(shí)現(xiàn)持續(xù)健康監(jiān)測(cè)與人機(jī)交互的新范式。