鲍哲南&金丽华，最新Nature子刊！

研究成果

半导体聚合物薄膜是可穿戴和生物医学应用的柔性电子的基本元件。然而，高迁移率半导体聚合物通常很脆，在小应变(<10%)下很容易断裂。最近，已经报道了通过分子设计和纳米配置来改善半导体聚合物膜的固有机械性能。研究发现，调控半导体薄膜和衬底之间的界面特性可以显著地延缓薄膜中微裂纹的形成。

这里，斯坦福大学鲍哲南教授和加州大学洛杉矶分校金丽华教授等人提出了一个通用的设计策略，在半导体薄膜和衬底之间共价结合一个由动态非共价交联组成的耗散界面聚合物层。这使得层间的高界面韧性、分层的抑制和应变的离域成为可能。结果，裂纹的产生和扩展明显延迟到更高的应变。具体地，高迁移率半导体聚合物薄膜的裂纹起始应变从30%提高到110%应变，而没有任何明显的微裂纹。此外，作者发现界面层减少了不同层之间热膨胀系数的不匹配。这种方法可以改善各种半导体聚合物、导电聚合物甚至金属薄膜的裂纹起始应变。

图文解读

作者提出了一种坚韧界面(TI)设计，以赋予脆性半导体聚合物薄膜拉伸性(图1a)。简而言之，TI键合是由两种基本化学成分实现的:(1)坚韧的自修复聚合物基质(TSP)，其能够通过自主的动态键断裂和重组而重复能量耗散；(2)表面改性剂(SM),其与TSP共价和非共价结合，并且与基底共价结合(图1a)。这使得能够进行TI键合，防止分层，使膜中的应变离域，并最终显著延迟裂纹扩展(图1b)。TSP由作为能量耗散基质的90 wt%自修复聚合物(SHP)和作为交联剂的10 wt% SM的混合物组成。具体来说，SHP是一种基于聚二甲基硅氧烷的韧性弹性体网络，由两种不同键强度的氢键(H键)组成。SM具有以下三个特征:(1)位于柔性链末端的两个全氟苯酰肼或二苯甲酮部分，用于通过光或热与任何聚合物表面共价结合，(2)用于与TSP非共价相互作用的动态氢键单元，以及(3)用于SM层拉伸性的柔性长聚二甲基硅氧烷链(M_w≈5000)(图1a)。

图1 在半导体薄膜和弹性衬底之间引入TI

图2 TSP与各种聚合物基底TI的制备与表征

图3 通过嵌入TI在半导体薄膜中延迟裂纹的形成

图4 TI对各种聚合物半导体和导体的广泛适用性

这里设计的TI层适用于大多数半导体聚合物。例如，作者将其应用于三种额外的半导体聚合物(图4a)。当经受50%应变时，直接转移到可拉伸的共价交联的PDMS基底上的所有薄膜都严重破裂。然而，在半导体薄膜和基底之间的TI层再次延迟了裂纹的产生和扩展；因此，即使在100%应变时，作者也观察不到明显的裂纹(图4a，b)。TI也可用于增强其他类型电子材料的拉伸性。例如，导电聚合物(聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS))薄膜，当沉积在PDMS基底上时，其在10%的应变下表现出脆性断裂；而对于TI层，即使在100%的应变下也表现出稳定的导电性(图4c，d)。类似地，可以将TI引入到PDMS衬底上的薄Au膜(60 nm厚)中。观察到膜从脆性断裂变为韧性断裂，产生可拉伸的Au导体(图4e，f)。

综上所述，作者的工作表明，TI方法可能通过拓宽材料选择为可拉伸电子产品的未来发展开辟新的途径。

文献链接

Kang, J., Mun, J., Zheng, Y. et al. Tough-interface-enabled stretchable electronics using non-stretchable polymer semiconductors and conductors. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01246-6

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