随着科学家对可穿戴电子器件、电子皮肤的深入研究，目前已经可以实现在 50 %-100 % 的拉伸程度下保持半导体器件的功能性。

但是，在力学性能上，该领域仍面临着严峻的挑战，尤其是底层基础材料的匮乏。目前的材料分子设计机制主要以“橡皮泥”般的特性为目标。虽然可以在电子器件拉到一定长度时仍可保持其功能性，但当这个拉伸力撤去后，它的拉伸性和电子学性能是“不可逆”的。

那么，是否有一种柔性、高度可逆、又能保持长期稳定循环的有机高分子半导体材料呢？

近日，斯坦福大学鲍哲南团队研究了一种“多功能集成”的高分子半导体，不仅实现了半导体材料像“橡皮筋”一样高度可逆的弹性，还同时实现了抗溶剂性、光图案化、可规模化生产、价格低廉等优异的性能，并且申请了前驱体与交联橡胶结构方面的美国专利。

“我们在 4 小时连续不断的拉伸机循环下，实现了 5000 圈的可逆循环，并且电子学性能衰减很小，是目前报道的关于可拉伸柔性半导体循环寿命的 5 倍，其电子学绝对性能在相同循环寿命下也是目前最佳之一。”斯坦福大学化学系博士生郑玉说。

图丨相关论文（来源：Nature Communications）

9 月 29 日，相关论文以《弹性和多功能聚合物电子学的分子设计策略》（A molecular design approach towards elastic and multifunctional polymer electronics）为题发表在 Nature Communications 上[1]。该论文由斯坦福大学化学工程学院鲍哲南教授担任通讯作者，斯坦福大学化学系博士生郑玉、俞之奡为共同第一作者。

从“橡皮泥”升级到“橡皮筋”，实现可拉伸柔性半导体循环寿命的5倍

从生活中实际应用的材料来看，弹性橡胶从物理角度可以和“橡皮筋”一样有理想的弹性状态，并可在承受成千上万次的拉伸循环后依然恢复至原状。于是，该团队思考：如何可以实现高分子半导体和交联橡胶的结合，在不损失半导体应有的电子学性能的前提下，以实现半导体层高度可逆弹性的力学性能呢？

这从原理上“似乎不可能”，由于交联橡胶的抗溶剂性，很难和其他材料融合。所以，他们想到先模拟工业实际做交联橡胶的过程，先把前驱体和普通的高分子半导体融合，然后原位地引发交联橡胶的形成。这样，既兼顾了可逆高弹性的拉伸，又保障了高分子半导体的可加工性以及导电性能。

图丨iRUM 策略构思逻辑示意图、具体分子结构，以及 iRUM 策略集成所有优良性能的示意图（来源：Nature Communications）

郑玉表示，“从设计方面我们提出了先进的策略，可以在不破坏半导体材料本身电学性能的情况下，实现力学的弹性要求、半导体在形变下电学性能的维持、抗溶剂性、后续的可加工性（可光刻化）等多性能的高度集成。”

该团队从化学反应性不同的角度出发，提出了非常前沿的策略，为该领域的研究打开新的思路。并且，他们从研究之初就考虑到材料成本、性能稳定性和可规模化量产等实际应用层面的问题。

俞之奡举例说道，“我们使用的前躯体的主体材料已在工业上大规模应用，并且价格很低，都是按桶、按吨卖。所以，将它与较昂贵的高分子半导体结合，可降低其整体价格。”

郑玉指出，制备半导体薄膜的过程简化了流程，其不需要复杂的合成及复杂的制备方式，只需要使用热或光引发橡胶前驱体交联，便可以得到半导体的薄膜。所以，从实际应用角度，具备了可量产的潜力。

图丨以硅片为基底的 iRUM 半导体光图案化器件性能、iRUM 介电层的可光图案化性与力学性能、弹性场效应晶体管阵列在拉伸循环过程中的电子学性能（来源：Nature Communications）

对于该研究的难点，郑玉认为，该研究不仅在结果上呈现出很好的性能、稳定性与可靠性，还要从机理上知道是该结果是如何实现的。也就是说，不仅要知道高分子有机半导体的“性能好在哪”，还要从原理上知道“为什么好”。

俞之奡表示，“鲍老师特别喜欢非常详细、深入的研究，在研究的过程中，她也让我们补充了很多细致的实验，去交叉印证同一原理。”

图丨该论文共同第一作者郑玉（左）、俞之奡（来源：俞之奡）

起初，该团队设计的分子的循环性能已经达到了很高的记录（拉伸机连续循环 1000 次后仍然保持 1 cm2 V-1s-1 的迁移率，相比于拉伸前初始值或者纯高分子半导体的性能衰减极小），但鲍哲南教授并未因此“停步”。

她让学生们进一步印证，该性能最后可能达到何种的程度；并且希望学生在原有结构的基础上进行微调，然后系统性观察分子微调对性能影响的构效关系。

从设计合成材料到真正把它放到电子器件里，有很多需要考虑的方面，包括层与层之间的连接性，还有其它层的材料兼容性等因素。

“我们做了大量的工作反复进行验证和实验，努力地实现了真正高性能的可逆长循环，也将材料的性能推到极致。正因为这样，我们最后做出了全拉伸的电子器件。”郑玉表示。

可应用于消费电子产品、生物医疗、可穿戴设备等多领域

该材料在可折叠手机、可穿戴电子设备、假肢或柔性机器人、可植入电子设备等领域具有应用前景。

第一，消费电子产品，用于可折叠手机。有机柔性材料在目前市场上最现实的应用便是柔性显示屏，这是一条非常蓝海的高科技创新赛道。

第二，可穿戴电子设备，对人体进行持续性的健康监测。郑玉表示，“我们需要满足电子产品的柔软性，以适应人体穿戴的舒适性需求。未来，电子产品将与人类更紧密地、舒适地结合在一起。”

第三，在生物医疗领域，可应用于假肢或柔性机器人。这与“电子皮肤”的概念相似，将各种各样的电子元件集成于电子电路，并且具有柔性和可拉伸性。“用我们这种材料，假肢将和真正的人体皮肤越来越相似。”俞之奡说。

第四，可植入的电子设备。如果将这种电子元件植入到人体，可持续地监测人体内的各种器官，包括内循环的情况，然后医生再通过无线信号传输等手段，便能随时随地得到病人体内的实时监测信息。

图丨鲍哲南教授团队 2021 年近照（来源：郑玉）

据悉，该团队会继续探索高分子半导体材料与生物相容的更多特性。这种可植入的电子设备需要具有高度的柔性和可拉伸性，以避免对人体内柔软的组织和器官造成物理上的伤害。如果涉及可植入电子设备的定期更换，该材料可能会与可控降解技术融合。

“从材料设计的角度来说，如果可以在光照或给体内传递一些化学、电子信号的情况下，可以通过自我降解被人体消化且不引起任何毒副作用，那将为使用者减轻定期手术来更换设备的问题。”郑玉说。

她还指出，电子器件有很多材料，除了这次研究主要聚焦在研究半导体材料，还有导体、绝缘层等。“即使每层材料都做到了绝对的弹性，或者是它拥有了各种性能的集成，但当我们把它组装成电子器件后，将会面临着如何更好地结合层与层之间的界面工程问题。”

她认为，虽然有机电子器件具有柔性、低价、可量产等优势，但有机电子器件真正地实现长循环仍是未来研究的重点。因此，提高有机电子器件的长期稳定性是该团队下一步关注的重点。

四团队各发挥所长共研究，以实现上万次循环为下阶段目标

在该研究中，还有其他三个团队共同参与，分别是：牛津大学伊恩·麦卡洛克（Iain McCulloch）教授团队、斯坦福大学秦健教授团队、南密西西比大学顾晓丹教授团队。

三个团队“各有所长”，其中，英国牛津大学麦卡洛克教授团队提供高性能的高分子半导体材料；斯坦福大学秦建老师团队的研究重点在分子动力学的理论模拟，从计算模拟的角度辅助验证相关的实验结论；南密西西比大学顾晓丹团队，主要负责做薄膜力学性能方面的测试。

郑玉本科毕业于南开大学化学系，2017 年 9 月进入斯坦福大学化学系攻读博士学位，其研究课题为可拉伸高分子半导体材料，实现不同程度的可拉伸以及功能性，包括电学性能、力学性能等。

郑玉表示，虽然本科期间的科研背景也是高分子，但是并非电子材料，而是水凝胶等仿生领域。所以，读博阶段最初阶段的科研工作技术壁垒很大。谈及未来发展，她说：“我对可拉伸电子材料有浓厚的兴趣，未来可能与生物方向的课题组更加紧密地学习与合作。”

图丨郑玉在实验室（来源：郑玉）

俞之奡在北京大学化学与分子工程学院本科毕业后，2017 年 9 月进入斯坦福大学化学系攻读博士学位，主要研究领域为金属锂电池电解质、高分子半导体材料等。

对于个人未来的发展，俞之奡表示，经过“做减法”的思考，自己最想做的是把学术界的科研技术真正地与低成本和可规模化的现实产品做“强关连”。

图丨四个对比分子的分子结构，以及 iRUM 用于半导体中的基本力学、电子学表征（来源：Nature Communications）

目前，知名手机厂商已经推出了折叠手机，并且大规模量产，但其价格偏高。俞之奡认为，“目前市场上的折叠手机价格基本上是 iPhone 的 3 倍，所以无论是工艺还是产线的优化，都要想办法将成本降低。”

“对于学术界，应该以严苛的条件为目标，尽力架起产研结合的桥梁。相较于折叠，柔性拉伸测试会更苛刻、更科幻；我们目前已实现 5000 次拉伸循环，所以下一步的目标是突破万次循环。”俞之奡说。

对于该领域的未来发展，他表示，随着科技的发展，也许未来的手机真的会变成一张贴在手腕上的“薄膜”。