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水分触发式瞬态电子器件与系统

还在因废旧电子器件的处理问题而头疼,抑或因二次手术带来的痛苦而苦恼?研究者正在研究一种新型电子器件:瞬态电子器件。这种器件在完成指定功能后,物理形态和功能可以在外界刺激的触发下发生部分消失或者完全消失,可以广泛应用于植入式可降解医疗电子器件、保密安全电子系统、可降解环境传感器和零废物电子器件中,具有广阔的应用前景。但是,目前此类电子器件制备所采用的瞬态高分子衬底材料(丝素蛋白、聚乳酸、聚ε-己内酯和聚乙烯醇)、无机半导体(Si)、金属导体(Mg、Mo、W、Zn和Fe)等的选择非常有限,而且瞬态过程仅限于发生在水溶液或生物流体中,缺乏对触发和瞬态降解过程的有效调控。


最近,美国休斯顿大学余存江(Cunjiang Yu)团队和中国科学与技术大学徐航勋团队合作,以对环境中湿度敏感的聚酸酐高分子材料为衬底,设计出一种新颖的以环境中水分子为触发方式的瞬态电子器件与系统,并且证明所设计的电子器件可以在预先设定的时间内发生可控完全降解。

图1. 水分触发式瞬态电子系统的演示以及瞬态过程


瞬态过程始于空气中微量水分触发的聚酸酐基底的水解,随后水解过程产生的腐蚀性有机酸可以溶解无机电子器件中各种通常情况下不能被溶解的无机电子材料和组分,如金属电极Cu、金属氧化物电介质MgO和半导体IGZO(图1)。这种新颖的触发式瞬态电子器件的最大优点是可以通过改变环境中的水分含量和改变聚合物衬底的各个组分组成来精确调控瞬态电子器件的瞬态降解过程。实验证明整体器件的降解时间可以从几天调整到几周,甚至更长时间。

图2. 有源电子器件的瞬态过程及其性能


作者从无源电子器件(如天线、电阻和电容器)到有源电子器件(如晶体管、二极管、光传感器以及存储器,图2)设计了一系列的瞬态电子器件以验证这一设计概念的可行性。与其他瞬态电子器件相比,水分触发式瞬态电子器件具有以下显著的优点:(i)可以简单通过改变聚合物成分或环境湿度来调节瞬态过程;(ii)电子器件可以保持稳定的工作,直到聚酐在水分触发下发生水解反应;(iii)聚酐只发生表面侵蚀过程,几乎不会在功能器件上产生由于聚合物水解而导致的应力;(iv)水解过程中产生的有机酸可以溶解通常被认为是非瞬态范围的电极材料、半导体和电介质。这种水分触发式瞬态电子器件的相关材料、器件设计和制备方法可能会引领开发新型触发式瞬态电子器件的方向,如环保型一次性电子设备、瞬态电子传感器等。


这一成果近期发表在Science Advances 上,文章的共同第一作者是休斯顿大学的博士后高阳博士(现任职于华东理工大学从事副教授一职)、博士研究生王旭Kyoseung Sim以及中国科学与技术大学的博士研究生张颖


该论文作者为:Yang Gao, Ying Zhang, Xu Wang, Kyoseung Sim, Jingshen Liu, Ji Chen, Xue Feng, Hangxun Xu and Cunjiang Yu

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Moisture-triggered physically transient electronics

Sci. Adv., 2017, 3, e1701222, DOI: 10.1126/sciadv.1701222


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