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柔性电子女神鲍哲南院士团队再出Nature Electronics!

2026-05-06 09:07:38

一、研究背景

本征可拉伸电子器件在穿戴式健康监测、植入式生物医疗、神经假体与软体机器人等皮肤仿生电子领域具备广阔应用前景，是柔性电子领域的核心研究方向。尽管近年来可拉伸高分子材料设计、加工工艺与生物集成技术不断进步，全溶液加工的可拉伸集成电路已实现产率、均匀性与集成度的提升，但现有本征可拉伸电路大多仅采用单极p型晶体管构建，存在速度慢、静态功耗高、抗噪声能力弱等问题。

互补电路同时集成p型与n型晶体管，可有效解决上述缺陷，是可拉伸电子发展的关键方向。然而，可拉伸互补电路的规模化制备仍面临两大核心瓶颈：一是高性能可拉伸n型聚合物半导体材料极度匮乏，已报道的n型材料迁移率普遍低于0.3 cm²V⁻¹s⁻¹，远落后于p型材料；二是多层溶液加工过程中，半导体层易出现电学性能衰减，且缺乏兼具可拉伸性、光图案化能力与耐溶剂性的n型材料体系，难以实现多层电路的稳定制备。此外，现有可拉伸互补电路难以兼顾低工作电压、高器件密度与全溶液加工工艺，限制了其实际应用。

二、研究亮点

1. 通过将n型聚合物F4BDOPV-2T共价嵌入紫外交联的聚丁二烯弹性体基体，形成纳米纤维互穿网络，获得兼具高电子迁移率、100%拉伸稳定性与耐溶剂性的半导体薄膜，1:1配比样品电子迁移率可达0.73 cm²V⁻¹s⁻¹，为可拉伸n型材料性能突破提供新策略。

2. 针对多层图案化过程中p型半导体性能衰减问题，采用全氟烷硫醇对p型半导体层共价氟化修饰，有效屏蔽溶剂侵蚀，实现p型与n型半导体的连续直接光图案化，且不损伤原有电学性能，解决多层加工稳定性难题。

3. 基于上述材料与工艺，在2 V超低工作电压下，成功制备可承受100%应变的反相器、与非门、或非门及三级环形振荡器，增益超10，是目前报道中应变最大、工作电压最低、增益最高的本征可拉伸互补有机电路。

三、研究内容

1. n型半导体材料设计与表征

图1：展示可拉伸互补反相器器件结构、全溶液加工无转移工艺、半导体设计准则，以及p型/n型半导体连续光图案化的光学显微镜图像，验证多层图案化可行性。

选取F4BDOPV-2T为n型半导体单元，搭配端基叠氮官能化的BA弹性体，制备不同配比的复合薄膜；通过AFM、UV-vis、GIXD等表征，证实材料形成纳米相分离纤维结构，结晶排布完整，弹性体基体未破坏半导体电荷传输性能。

2. 可拉伸n型晶体管性能测试

图2：对比纯F4BDOPV-2T与BA复合薄膜的纳米力学性能、紫外吸收、结晶结构与晶体管转移曲线，证实1:1配比样品兼具高迁移率与良好稳定性。

以SEBS为介电层、碳纳米管为电极制备全可拉伸晶体管，1:1配比薄膜在100%应变下迁移率保持率达97%，经50%应变1000次循环后仍稳定工作，远优于纯半导体薄膜；同时实现半导体层的直接光图案化，图案化后电学性能无明显损失。

3. 可拉伸互补电路制备与集成

图3：测试纯半导体与复合薄膜的起裂应变、拉伸后形貌、二向色性比，以及全可拉伸n型晶体管在不同应变与循环次数下的迁移率变化，证明复合薄膜优异的力学与电学稳定性。

采用NBR/SEBS双层高κ介电层降低工作电压，先光图案化p型BA:DPPTT半导体并氟化保护，再图案化n型BA:F4BDOPV-2T半导体，依次构建反相器、NAND、NOR逻辑门与三级环形振荡器，实现2 V电压下100%应变的稳定工作。

图4：呈现n型半导体直接光图案化流程、图案化后形貌与结晶结构，对比氟化修饰前后p型晶体管性能，验证氟化策略对多层加工的保护作用，同时展示互补反相器在不同应变下的传输特性与增益。

图5：测试互补NAND、NOR逻辑门在不同电压与应变下的输出特性，以及三级环形振荡器的振荡信号，证实复杂电路在100%应变下仍可正常工作。

五、总结与展望

本研究成功开发基于直接光图案化聚合物半导体的本征可拉伸有机互补电路，通过n型半导体共价嵌入弹性体网络、p型半导体氟化功能化保护两大核心策略，突破了可拉伸n型材料性能不足与多层加工稳定性差的技术瓶颈。所制备的复合材料在100%应变下保持高电子迁移率，互补电路可在2 V超低电压下工作，且耐受100%机械应变，实现了反相器、逻辑门与环形振荡器的稳定集成，大幅提升可拉伸互补电路的性能与实用性，为皮肤仿生电子的多功能集成提供关键材料与工艺支撑。

未来研究可围绕三方面展开：一是进一步优化n型半导体分子结构与弹性体配比，提升迁移率与机械稳定性；二是拓展光图案化精度，提高器件密度，推动高密度可拉伸集成电路研发；三是结合生物集成需求，优化器件生物相容性与封装工艺，推动本征可拉伸互补电路在植入式医疗、智能穿戴、软体机器人等领域的实际应用。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41928-026-01599-z

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