今日Science Advances: 可拉伸橡胶半导体和集成电路
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可拉伸电子能够可逆地拉伸和释放是自本世纪以来开发的一项重要且及其具有前景的电子技术。由于其具有优越的机械性能，可拉伸电子在可穿戴技术，医疗器械，智能皮肤以及人机交互等众多传统与新兴领域具有巨大的技术优势以及广泛的应用需求。
通常，这些可拉伸电子不仅仅包括由各种可拉伸传感器，还包括至关重要的集成电路以实现复杂的电路连接，接口和数据处理等等功能。制成可拉伸电子及集成电路的关键在于实现可拉伸电子材料，尤其是具有高载流子迁移率的可拉伸半导体材料。但实现这种材料以及基于其制成集成电子电路一直是材料和可拉伸电子领域长期存在的技术难题。
目前广泛存在的电子材料，尤其半导体材料，从有机到无机，往往是脆性不可拉伸的，难以直接应用于可拉伸电子器件。目前主流解决方案是将不可拉伸的材料设计成特殊结构，例如褶皱、蛇形、弹簧、“孤岛互连”等等，以此在拉伸、扭曲、弯曲时承受机械变形，消除机械应力而免遭破坏。但是这些方法也有工艺复杂、结构可靠性差、制作成本高的缺点，难以大规模应用于柔性可拉伸电子器件。
美国休斯敦大学(University of Houston)的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组在该领域取得了突破性进展，2017年首次在Science子刊 Science Advances报道了橡胶半导体复合材料。这种橡胶半导体无需任何特殊的机械结构就能实现拉伸性能。他们开发了橡胶半导体、橡胶导体材料，并用这些材料制作成的全橡胶晶体管、各种传感器以及机器人皮肤。然而，橡胶半导体的开发仍处于起步阶段，它的载流子迁移率较低（场效应迁移率~1 cm2/v·s）。要用橡胶半导体真正实现可拉伸集成电路，必须有一种具有高载流子迁移率、器件性能均匀以及可大规模制造的可拉伸半导体。
近期，余存江教授课题组在高性能橡胶半导体上面再次取得重要进展。研究成果于2019年2月1日在Science Advances上在线发表。他们开发出一种具有高载流子迁移率可拉伸橡胶半导体，以及全橡胶晶体管，逻辑门电路，集成电路及集成电子传感皮肤。全橡胶电子继承了橡胶材料优良的可拉伸延展性、良好的电性能。他们进一步展示了基于这种高性能晶体管有源矩阵的全弹性触觉传感皮肤，使橡胶形式的集成电子电路作为一种真正可行的技术。
这种高迁移率全橡胶晶体管及其阵列由橡胶电子材料制成的。其中金属型碳纳米管掺杂的P3HT-NFs/PDMS 为橡胶半导体、金纳米粒子包裹的银纳米线（Au NP-AgNWs）嵌入的PDMS的复合材料（Au NPs-AgNWs/PDMS）为橡胶导体，可拉伸的离子胶为介电层。通过干法转移金属型碳纳米管（m-CNTs）到橡胶半导体P3HT-NFs/PDMS表面，载流子迁移率可以有效地提高到~9.76 cm2/v·s。其原理是在m-CNTs和P3HT之间有较低的能量势垒（~0.1 eV）的情况下，m-CNTs可以给载流子提供优良的传输路径，缩短载流子在沟道内的传输距离，从而显著提高有效载流子迁移率。这种高迁移率的橡胶半导体的优点包括以下几个方面：（i）高有效迁移率同时可以拉伸收缩50%；ii）基于商用的前驱体制备无需进一步合成；（iii）简单、可重复和可量产的制作方法；以及（iv）低成本。研究测试表明，高性能橡胶晶体管在经历高水平的机械拉伸时（50%），依旧能保持正常的工作状态和相对稳定的器件性能。
图1： 高载流子迁移率的橡胶晶体管及阵列
布尔运算的逻辑门是集成电子和电路的基本组成部分。全部由橡胶材料制成的集成电子电路与传统的硅基电子电路相辅相成，同时拥有许多传统技术无法轻易实现的应用。该工作第一次实现了全橡胶逻辑门电路，包括反相器，与非门（NAND）和或非门（NOR）。这些逻辑门均能同时在无应变和双向50%（平行和垂直沟道方向）应变下正常工作。
图2：橡胶逻辑门电路
利用高性能橡胶晶体管阵列技术，他们还制备了8×8有源矩阵的全橡胶触觉感知皮肤。 当皮肤受压时，阵列上各个单元的电压信号可以被测量。晶体管有源矩阵技术可以有效做到相邻传感单元之间没有串扰同时减少排线数量。橡胶智能皮肤能够定量感知压力分布进而识别物体的形状。即使当橡胶智能皮肤被进一步沿着平行和垂直于沟道的两个方向拉伸50%，在拉伸和释放100个循环后，其感知能力没有明显变化。
图3.全橡胶阵列集成触觉感知皮肤
南京大学王欣然教授对此工作做了点评：
余存江教授课题组开创性地设计并制造出具有高载流子迁移率同时可以拉伸的半导体材料，开发了全橡胶集成电子电路以及有源矩阵柔性传感皮肤。高迁移率橡胶半导体以及集成电子电路在柔性电子领域是重要的突破。这项研究工作将有望衍生出一系列新型电子与光电子器件与系统，推进可穿戴技术，智能电子皮肤，医疗电子等相关领域的发展。
作者介绍
文章的第一作者是休斯顿大学余存江教授课题组的博士后Kyoseung Sim博士。余存江教授为唯一通讯作者。其他作者还包括课题组的博士生饶州铝，Anish Thukral, Hyunseok Shim, 以及前博士后Dr. Haejin Kim （现为韩国Gyeongsang National University助理教授）。余教授课题组主要从事有机和无机柔性电子，生物医疗电子方面的研究。课题组网页：http://yu.me.uh.edu/
1. Kyoseung Sim, Zhoulyu Rao, Hae-Jin Kim,Anish Thukral, Hyunseok Shim, and Cunjiang Yu*, Fully rubbery integratedelectronics from high effective mobility intrinsically stretchablesemiconductors, Science Advances, 5, eaav5749, 2019. DOI:10.1126/sciadv.aav5749.
2. Haejin Kim, Kyoseung Sim, AnishThukral, and Cunjiang Yu*, Rubbery Electronics and Sensors from IntrinsicallyStretchable Elastomeric Composites of Semiconductors and Conductors, Science Advances,3, e701114, 2017. DOI: 10.1126/sciadv.1701114.
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