斯坦福大学鲍哲南教授团队《Nat. Mater.》：由“微”至“著”的多尺度有序可拉伸半导体高分子薄膜

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随着皮肤电子学领域的不断发展，尤其是一系列新型高性能柔性（导电）半导体材料的出现，使得可拉伸/可穿戴仿生柔性电子器件逐渐走入人们的日常生活，在健康护理、运动生理监测等各个方面具有广泛的应用潜力。目前，仿生的导电水凝胶/弹性体等软物质体系、褶皱/螺旋等应力缓冲材料结构优化以及聚合物材料分子链结构（一级及二级结构）调控等诸多策略被成功用于构筑柔性可拉伸电子器件。但是，导电材料机械拉伸性提升的同时，往往会导致材料电荷传输效率的降低，损耗器件的电学性能。

近日，美国斯坦福大学鲍哲南教授研究团队发展了一种溶液剪切结合纳米限域效应的溶液加工方法，简便实现了半导体高分子材料在从分子尺度、介观尺度到宏观尺度的多尺度有序规整排列，大幅提升了共轭高分子薄膜的电荷传输效率和机械可拉伸性。该研究成果还适用于大规模制备可拉伸半导体膜材料（米级），有望极大推进柔性皮肤电子器件的工业化进程。相关论文发表于Nature Materials。

多尺度有序规整排列共轭高分子构筑过程及表征。图片来源：Nat. Mater.

研究人员采用图案化刀片辅助溶液剪切法诱导共轭高分子链取向规整排列，借助共轭半导体聚合物（DPPDTSE）与弹性嵌段聚合物（SEBS）相分离产生的限域效应“冻结”共轭高分子取向态结构实现多尺度聚合物链结构规整序列的稳定性。同时，研究表明溶液浓度、剪切速率和温度能够影响最终共轭聚合物链的规整性，最佳实验条件为：溶液浓度30 mg ml^-1、剪切速率3 mm s^-1、操作温度50 °C。

纳米限域效应使得聚合物链规整排列并提升共轭聚合物链短程π-π堆叠，有效降低了载流子传输的能量势垒从而大幅改善其电学性能。与传统的旋涂工艺相比，该方法制备的6种共轭高分子膜其电荷传输效率提升了约2-6倍，且在100%拉伸应变条件下膜材料表面未观察到裂纹产生，展现出优异的可拉伸性能。

多尺度有序排列共轭聚合物电性能测试。图片来源：Nat. Mater.

为进一步探究材料规整形貌与共轭高分子膜电性能的内在关系，研究人员对不同工艺条件下制备的共轭聚合物晶体管的带隙及传输活化能（EA）进行了对比测。研究表明，纳米共轭聚合物纤维的宏观尺度规整排列对晶体管带隙的影响不大；但是纳米纤维的规整排列有效减少不利于电荷传输的材料形貌边界从而有效降低体系电荷传输活化能，赋予器件最优载流子迁移率。同时，共轭聚合物链的多尺度有序排列赋予器件优异的可拉伸性能，在100%拉伸应变条件下膜材料载流子迁移率恒定在1.5 cm² V s^-1，且在1000余次循环拉伸测试中展现出卓越的电性能稳定性。

新型共轭聚合物晶体管带隙及传输活化能测试。图片来源：Nat. Mater.

新型共轭聚合物导电器件可拉伸性能测试。图片来源：Nat. Mater.

基于该半导体薄膜制备策略的简便性，研究团队通过卷对卷印刷工艺实现了米级尺寸半导体薄膜涂层的大面积制备，为可拉伸半导体薄膜工业化生产奠定了基础。

多尺度有序排列共轭聚合物膜的大面积制备。图片来源：Nat. Mater.

鲍哲南教授团队采用溶液剪切诱导聚合物链取向，结合材料体系相分离产生的纳米限域效应“冻结”链取向结构，简便实现了材料体系从微观、介观到宏观尺度的多尺度有序结构调控，赋予了共轭聚合物超高电学性能的同时，保持了材料固有的良好机械拉伸性。该研究成果进一步促进了人们对可拉伸材料的结构和性能关系的理解，为其他半导体材料的设计及开发利用提供了重要的借鉴。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0340-5

来源：X-MOL资讯

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