首個自癒合彈性半導體問世：電腦可以穿在身上

資料圖：類皮膚彈性半導體

近日，美國斯坦福大學研究人員首次製備出一種可用於製作晶體管的可自愈彈性聚合物，為新一代可穿戴設備開闢了道路，相關論文日前在《自然》期刊發表，《自然》同期評論文章中表示，該研究實現了複雜有機電子錶面模仿人類皮膚，是仿生學發展的一座里程碑。

斯坦福大學研究人員通過將剛性半導體聚合物與柔性材料結合，製作出了像人體皮膚一樣可以拉伸、形成褶皺、自我癒合的半導體，能夠用於可穿戴設備、電子皮膚乃至柔性機器人。

這種新的聚合物在拉伸到原來尺寸的兩倍以後，仍然保持原有的導電性能，與非晶硅的導電性能一致（非晶硅是製作控制液晶顯示像素的晶體管陣列時會用到的材料）。

研究人員表示，製作彈性半導體聚合物一直以來都是個難題。彈性材料的典型設計規則是讓材料更軟、結晶度更低。但一般的高性能半導體聚合物，都需要高度結晶且硬度較高，導致材料硬且脆，容易碎裂。

為解決這個難題，研究人員首先使用含有二酮吡咯並吡咯（DPP）單元的聚合物（DPP中大量的碳鍵使其硬度和結晶度高）；然後，在不改變聚合物整體導電性能的前提下，替換掉5%~10%的DPP，通過減少碳鍵的數量使材料變得更軟；最後，研究人員再往其中加入另外一種更軟、很容易形成氫鍵的彈性聚合物。由此得到了一種全新的材料。拉伸這種新材料時，裡面的化學鍵會斷開吸收機械能，而應力釋放時，這些鍵又會重新結合起來。

這種彈性晶體管材料由兩部分組成：一是剛性的半導體，二是連接這些半導體的無定形鏈。拉伸時，無定形鏈間由氫鍵連接，收縮時氫鍵斷裂吸收機械應力。該材料經過1000次拉伸循環後（拉伸至雙倍尺寸又重新縮回），開始出現一些裂紋，導電性也輕微降低。但使用溶劑蒸汽處理150℃的熱板上加熱之後，該材料可以自我癒合，並且幾乎完全恢復原本的導電性能。

研究人員已經使用該聚合物製造出可以穿戴在肘部和踝部的彈性晶體管。研究團隊正在從事將這種材料納入感測器的研究，希望以後能開發出柔性可穿戴顯示器。

可伸縮聚合物導體和絕緣體材料早已得到廣泛應用，而合成具有可拉伸性質的半導體是世界首例，斯坦福大學團隊將高彈性、自癒合和高效電荷傳輸性能「集成」進新型高分子材料中，實現了材料學、仿生學和電子學的重大突破，為新一代類皮膚可穿戴設備研製奠定基礎。（中國船舶工業綜合技術經濟研究院 志偉）

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