柔性电子女神!「五院院士」鲍哲南,重磅Nature大子刊!

皮肤启发的电子器件在可穿戴健康监测、植入式医疗设备及软体机器人等领域展现出巨大潜力，但利用可扩展方法制备本征可拉伸的互补电路仍是该领域的重大挑战。尽管近年来在材料设计、加工技术及生物集成方面取得诸多进展，现有的本征可拉伸电路多基于单极型P型晶体管构建。互补电路因兼具P型和N型晶体管，具有速度更快、静态功耗更低和抗噪能力更强的优势。

然而，目前该领域面临两大瓶颈：一是缺乏高性能的可拉伸N型聚合物半导体，现有N型材料的迁移率普遍低于0.3  cm² V⁻¹s⁻¹，远不及迁移率可达1  cm² V⁻¹s⁻¹以上的P型材料；二是多层溶液加工过程中的层间电学性能退化问题，且现有方法难以兼顾材料的可拉伸性、光图案化能力与耐溶剂性。因此，开发一种兼具高迁移率、高拉伸性和直接光图案化能力的N型半导体，并解决多层集成的工艺兼容性，是构建高性能本征可拉伸互补电路的关键。

斯坦福大学鲍哲南院士团队报道了一种全溶液加工、无需转移工艺的本征可拉伸有机互补电路。该工作首先开发了一种高性能且可光图案化的N型聚合物半导体，通过将高迁移率的四氟代苯并二呋喃二酮基寡聚对苯乙烯与联噻吩（F₄BDOPV-2T）共价嵌入致密的紫外光交联弹性体基质（聚丁二烯，BA）中，制备了在100%应变下电子迁移率仍高达0.28 cm² V⁻¹s⁻¹的全拉伸晶体管。同时，作者利用共价氟化功能化策略保护P型半导体层，实现了在已存在的P型层上连续、直接光图案化N型半导体而不会引发电学性能退化。

基于此方法，作者成功制备了本征可拉伸的逻辑门（非门、与非门、或非门）和环形振荡器，这些器件在2 V的低工作电压下及高达100%的拉伸应变范围内均表现出稳定的电学性能。这项工作为解决可拉伸互补电路制造中的材料与工艺难题提供了有效方案。

相关论文以“Intrinsically stretchable complementary circuits based on direct photo-patternable polymer semiconductors”为题，发表在Nature Electronics上。

图1 本征可拉伸互补电路的结构设计与材料设计准则

图 1 展示了本征可拉伸互补电路的结构设计与材料设计准则。图a为可拉伸互补反相器的器件结构示意图，图b呈现了全溶液加工、无转移且完全图案化的本征可拉伸互补电路的分解视图。图c通过示意图阐明了实现本征可拉伸互补电路所需的半导体设计标准。图d则展示了该研究的关键工艺步骤，包括P型半导体（BA:DPPTT）、P型氟化修饰层以及N型半导体（BA:F₄BDOPV-2T）通过连续直接光图案化依次成型的示意图，并配有光学显微镜图像，证实了该多层图案化工艺的可行性，比例尺为1毫米。该图整体概括了从器件构型到材料实现策略的完整设计思路。

图2 N型半导体F₄BDOPV-2T与BA弹性体共混交联薄膜的形貌与电学性能

图 2 系统表征了N型半导体F₄BDOPV-2T与BA弹性体共混交联薄膜的形貌与电学性能。图a通过示意图描绘了F₄BDOPV-2T纳米纤维嵌入BA弹性体基质的微观结构。图b利用原子力显微镜（AFM）纳米力学成像，对比了纯F₄BDOPV-2T薄膜与热交联BA:F₄BDOPV-2T 1:1薄膜的DMT模量与粘附力分布，证实了相分离导致的刚性纤维网络与柔软基质的形成。图c的紫外-可见吸收光谱显示，交联薄膜（特别是1:1比例）在844 nm处的0-0跃迁峰强度相对增加，表明嵌入弹性体后半导体链间聚集作用增强。

图d的二维掠入射X射线衍射（2D GIXD）图谱表明，纯膜与交联膜均保持有利于电荷传输的edge-on取向，且层状堆积与π-π堆积距离无明显变化，说明BA基质未破坏半导体的长程有序结构。图e和f的晶体管转移特性曲线与迁移率统计结果显示，BA:F₄BDOPV-2T 1:1薄膜的电子迁移率达到0.73±0.029  cm² V⁻¹s⁻¹（约为纯膜的84%），且在空气中放置三周后性能衰减远小于纯膜，证明该共混策略在维持高电学性能的同时提升了环境稳定性。

图3 全可拉伸N型半导体薄膜及晶体管的力学与电学性能

图 3 聚焦于全可拉伸N型半导体薄膜及晶体管的力学与电学性能测试。图a通过光学显微镜观察发现，支撑在PDMS基底上的纯F₄BDOPV-2T薄膜在25%应变即出现裂纹，而BA:F₄BDOPV-2T 1:1薄膜在100%应变下仍无可见裂纹。图b的AFM高度图进一步确认，经历100%应变后，纯膜出现1-2微米宽的裂纹导致薄膜不连续，而1:1交联膜仍保持纤维网络的连通性。图c的偏振光谱二色性比测试表明，1:1薄膜随应变增加至100%呈现近乎线性的二色性比增长，说明应变能通过聚合物链沿拉伸方向排列而耗散；相反纯膜因裂纹产生而几乎无链排列。

图d为全可拉伸晶体管阵列的结构示意图。图e的迁移率-应变关系图显示，1:1薄膜晶体管在平行于电荷传输方向拉伸至100%时，迁移率维持在0.28  cm² V⁻¹s⁻¹（为初始值的97%），而纯膜器件迁移率显著下降。图f的循环稳定性测试证实，1:1薄膜在50%应变下经历1000次拉伸-释放循环后，迁移率仍高于经历同样循环的纯膜。这些结果充分证明共价嵌入弹性体网络是提升刚性聚合物半导体拉伸耐受性的有效手段。

图4 直接光图案化N型半导体薄膜的工艺及其在本征可拉伸互补反相器中的应用

图 4 阐述了直接光图案化N型半导体薄膜的工艺及其在本征可拉伸互补反相器中的应用。图a展示了聚合物半导体薄膜直接光图案化的流程示意图。图b的光学显微图像显示了图案化后的BA:F₄BDOPV-2T 1:1薄膜，比例尺为1毫米。图c的AFM高度图证明光交联及溶剂显影过程未破坏半导体的纳米纤维形貌。图d的2D GIXD图谱进一步证实光图案化及后续处理未改变薄膜的结晶堆积结构。图e展示了全图案化可拉伸N型晶体管在不同应变下的迁移率变化，当平行于电荷传输方向拉伸至100%时，迁移率增至未拉伸时的约116%，归因于应变诱导的链排列。

图f展示了互补电路制造中引入氟化步骤以保护P型层的工艺流程。图g和h的转移特性曲线对比显示，未经氟化处理的P型晶体管（BA:DPPTT）在后续N型层图案化后关态电流显著增大，而经过全氟烷基硫醇氟化处理后，P型晶体管的电学特性得以完美保持。图i显示了制备的可拉伸互补反相器在不同供电电压下的输入-输出特性。图j和k表明该反相器在2 V供电电压下，于0%至100%应变范围内均表现出稳定的电压传输特性，且增益值在100%应变下仍大于10，其低工作电压与高应变容限显著优于以往报道。

图5 本征可拉伸互补逻辑电路NAND、NOR以及环形振荡器

图 5 展示了利用该材料体系与工艺制备的更复杂本征可拉伸互补逻辑电路，与非门（NAND）、或非门（NOR）以及环形振荡器的性能表征。图a显示了可拉伸互补与非门在0%应变及不同供电电压下的电压传输特性，实现了正确的逻辑输出。图b和c分别展示了与非门在2 V供电电压下，沿平行和垂直于电荷传输方向拉伸至100%应变时的输出特性，证明其在多向应变下均能稳定工作，插图为100%应变下的器件显微图像，比例尺为1毫米。

图d展示了或非门在0%应变及不同供电电压下的传输特性。图e和f则分别验证了或非门在平行与垂直应变方向下、于2 V电压及100%应变范围内的鲁棒性。图g展示了由三个反相器级联构成的环形振荡器在0%应变下、不同供电电压时的输出振荡信号。图h和i进一步显示了该振荡器在2 V供电时，分别沿平行与垂直方向承受0%至100%应变仍能产生稳定的振荡波形，插图为拉伸至100%应变时的器件照片，比例尺为2毫米。这些结果有力地证明了该技术在构建复杂、高密度本征可拉伸集成电路方面的巨大潜力，标志着皮肤电子学领域迈出了关键一步。

该研究通过将高性能N型聚合物半导体F₄BDOPV-2T共价嵌入BA弹性体网络，成功开发出兼具高电子迁移率、优异拉伸性（100%应变）、直接光图案化能力和耐溶剂性的复合半导体薄膜。实验表明，1:1质量比的BA:F₄BDOPV-2T薄膜在拉伸时通过诱导聚合物链排列维持导电通路，而非形成裂纹，从而在100%应变下保持了0.28 cm² V⁻¹s⁻¹的迁移率。

针对多层电路制造中P型半导体在后续工艺中的退化问题，引入的全氟烷基硫醇氟化策略有效保护了P型层，保障了互补电路的完整构建。最终实现的互补反相器在2 V低电压和100%应变下增益值仍超过10，其应变范围、工作电压及增益均创下本征可拉伸有机互补电路的纪录。

此外，成功运行的与非门、或非门及环形振荡器证明了该材料体系与工艺路线在复杂集成可拉伸数字电路中的应用潜力，为下一代皮肤电子器件的制造奠定了坚实基础。

Liu, Q., Zheng, Y., Wu, H. et al. Intrinsically stretchable complementary circuits based on direct photo-patternable polymer semiconductors. Nat Electron (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-026-01599-z 

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