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“全橡胶”晶体管与传感器

从天然橡胶被发现再到合成橡胶被广泛应用的数百年里,橡胶通常都被用做弹性、绝缘的结构材料,比如手套、气球、汽车轮胎等等。最近的一项研究成果或将颠覆人们的认知,原来橡胶也可以是半导体和导体,还能制造出全橡胶晶体管、传感器等电子设备!


进入21世纪以来,一种新兴的电子器件——“柔性可拉伸电子器件”进入了快速发展阶段。由于具有优越的机械性能,柔性可拉伸电子器件在健康监测、医疗植入器件、人造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前景。不过,目前广泛存在的电子材料,尤其半导体材料,往往是脆性不可拉伸的,难以直接应用于柔性可拉伸电子器件。现在的主要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并免遭破坏。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。


美国休斯敦大学机械工程、电子工程以及材料工程系余存江教授(点击查看介绍课题组在该领域取得了新的突破。他们开发了新型的橡胶半导体、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


他们首先巧妙的设计并制备出基于半导体纳米纤维与硅橡胶的复合橡胶半导体材料。该复合材料由聚3-己基噻吩纳米纤维与聚二甲基硅氧烷(P3HT-NF/PDMS)制成,其不仅具有优良的机械拉伸性能,而且具有良好的半导体电性能。这种橡胶半导体能够在拉伸50%的情况下仍能保持良好的半导体电性能。与传统半导体材料相比,橡胶半导体的机械性能实现了巨大的突破。他们还制作了可拉伸的橡胶导电材料,比如橡胶金和橡胶银。总的来说,这些橡胶电子材料与传统电子材料相比,都具有优越的的机械拉伸延展性能,同时还能满足对材料的电性能需求。


利用这些橡胶电子材料(图1),该课题组成功制成了全橡胶晶体管(图2)以及各种全橡胶传感器,如压力、应变、温度传感器等。全橡胶晶体管在拉伸50%的情况下能够正常工作,并且与不拉伸状态相比,其载流子迁移率能够保持55%。各种传感器也具有良好的感测性能。

图1. 橡胶电子材料:导体(左),半导体(右)。图片来源:Sci. Adv.


图2. 全橡胶晶体管及其基本电特性:示意图(左上),转移曲线(左下),沿不同拉伸方向的载流子迁移率以及阈值电压(右上,右下)图片来源:Sci. Adv.


他们还成功展示了利用这些全橡胶电子材料制成的机器人皮肤,来实现机器人手感测环境以及翻译哑语手势的功能(图3)。

图3. 基于全橡胶电子的机器人皮肤(左上),温度感测(右上),哑语手势翻译 (下)。图片来源:Sci. Adv.


总的来说,全橡胶电子器件继承了橡胶材料的机械性质,不仅具有优良的可拉伸延展性、良好的电性能和高结构可靠性,还具有制作工艺简单、适合大规模制造、成本低的优点。可以预见,该类全橡胶电子器件将推动新一代柔性电子器件的技术革新。


这一成果近期发表在Science Advances 上,文章的第一作者是余教授课题组博士后Hae-Jin Kim博士。其他作者还包括博士研究生Kyoseung SimAnish Thukral


该论文作者为:Haejin Kim, Kyoseung Sim, Anish Thukral, Cunjiang Yu

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Rubbery Electronics and Sensors from Intrinsically Stretchable Elastomeric Composites of Semiconductors and Conductors

Sci. Adv., 2017, 3, e701114, DOI: 10.1126/sciadv.1701114


导师介绍

余存江

http://www.x-mol.com/university/faculty/45858


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