類皮膚樣的內(nèi)在可伸縮軟電子設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)下一代遠(yuǎn)程預(yù)防醫(yī)學(xué)先進(jìn)個人保健的必要條件。近年來來，可伸縮導(dǎo)體和半導(dǎo)體的發(fā)展，使高力學(xué)強(qiáng)度和皮膚順應(yīng)性的電子電路或光電器件成為可能。然而，它們的工作頻率通常被限制在了100赫茲以下，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許多應(yīng)用程序所要求的頻率。在此，來自美國斯坦福大學(xué)的鮑哲南等研究者報(bào)道了，基于可伸縮有機(jī)和納米材料的可伸縮二極管，其工作頻率可高達(dá)13.56兆赫。相關(guān)論文以題為“High-frequency and intrinsically stretchable polymer diodes”于2021年12月08日發(fā)表在Nature上。由柔軟和可伸縮材料制成的皮膚狀電子設(shè)備，旨在保持與柔軟的、任意形狀的人體和器官的親密和不可察覺的接觸。下一代軟可穿戴設(shè)備，有望在不干擾人們?nèi)粘；顒拥那闆r下，實(shí)現(xiàn)對高保真生物信號的長期監(jiān)測，并為未來的精確健康遠(yuǎn)程監(jiān)測提供便利。盡管人們提出了幾種實(shí)現(xiàn)軟電子器件的方法，包括本征可拉伸材料和柔性材料的結(jié)構(gòu)工程，如起皺結(jié)構(gòu)或微裂紋等。具體地說，類皮膚樣的內(nèi)在可伸縮材料，可能會顯著增加所產(chǎn)生裝置的力學(xué)穩(wěn)健性。近年來，內(nèi)在可伸縮導(dǎo)體/半導(dǎo)體的發(fā)展，已使可適應(yīng)皮膚、堅(jiān)固耐用的可穿戴傳感器和電路的原型成為可能。然而，它們目前最高工作頻率只有100赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通電子產(chǎn)品的工作頻率(從兆赫到千兆赫)。重要的是，這限制了它們在無線通信中的使用，而這對于確保用戶堅(jiān)持監(jiān)測和治療是非常有用的。為了解決這個問題，需要一個二極管，其工作頻率與商業(yè)允許的基-載波頻率(射頻識別中為6.78 MHz和13.56 MHz)相當(dāng)。二極管需要整流兆赫交流(交流)載波信號和形成直流(直流)電壓所需的其他緩慢的設(shè)備，包括傳感器，顯示器或電路的操作等。對柔性和剛性有機(jī)電子器件來說，實(shí)現(xiàn)高頻操作具有挑戰(zhàn)性，而可伸縮有機(jī)電子材料從未實(shí)現(xiàn)過這一點(diǎn)。這是由于對器件結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝的嚴(yán)格要求。具體來說，材料必須同時滿足導(dǎo)電性、拉伸性、功函(WF)和加工兼容性的要求。所有這些性能，都使得識別合適的材料組合，來實(shí)現(xiàn)高頻操作變得特別具有挑戰(zhàn)性，即使是非拉伸材料。而由于可拉伸電子材料的選擇有限，實(shí)現(xiàn)高頻操作更加困難。在此，研究者報(bào)告一種內(nèi)在可拉伸二極管，可在50%的應(yīng)變下對13.56MHz的高頻信號進(jìn)行校正。此外，研究者的二極管集成到一個追蹤器上，該追蹤器帶有可伸縮天線、應(yīng)變傳感器和電致變色顯示器(ECD)像素。當(dāng)追蹤器由柔性電源電路無線供電時，ECD像素將應(yīng)變傳感器獲得的信號可視化。研究者實(shí)現(xiàn)的這個工作頻率足夠高，使用射頻識別，其中基載波頻率為6.78兆赫或13.56兆赫，可以用于軟傳感器和電致變色顯示器像素的無線操作。這是通過合理的材料設(shè)計(jì)和設(shè)備工程相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。具體來說，研究者開發(fā)了一種可伸縮的陽極、陰極、半導(dǎo)體和集流器，能夠滿足對高頻操作的嚴(yán)格要求。這項(xiàng)工作，是實(shí)現(xiàn)類皮膚樣的可穿戴電子產(chǎn)品增強(qiáng)功能和能力的重要一步。
圖1. 高頻可伸縮二極管
圖2. 基于AgNWs的可拉伸電流集電極的表征
圖3. 可拉伸二極管的高頻操作
圖4. 一種無線可伸縮傳感器和顯示系統(tǒng)綜上所述，通過材料和制造工藝設(shè)計(jì)，以及可伸縮半導(dǎo)體、陽極、陰極和集電極的開發(fā)，研究者成功地制造了高頻、本質(zhì)可伸縮二極管。研究者同時實(shí)現(xiàn)了良好的可拉伸性和電氣性能，這對高頻二極管的操作和其他類型器件的開發(fā)至關(guān)重要，包括可拉伸發(fā)光器件、光伏器件和晶體管。此外，研究者實(shí)現(xiàn)了一種基于皮膚的無線可伸縮系統(tǒng)，通過顯示像素來可視化傳感器的信號。預(yù)期未來，研究者的內(nèi)在可伸縮二極管，將有助于實(shí)現(xiàn)未來的無線和高速、皮膚樣的個人保健系統(tǒng)，用于預(yù)防醫(yī)學(xué)和遠(yuǎn)程醫(yī)療。據(jù)悉，這是繼2021年7月2日的Science之后，鮑哲南院士再登Nature！作者簡介鮑哲南，1970年出生于中國南京，化學(xué)家，中國科學(xué)院外籍院士，美國國家工程院院士?，美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院院士，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系教授。1987年鮑哲南考取南京大學(xué)化學(xué)系；1995年獲得美國芝加哥大學(xué)化學(xué)系博士學(xué)位后進(jìn)入了貝爾實(shí)驗(yàn)室任職；2001年獲得貝爾實(shí)驗(yàn)室杰出研究人員稱號；2004年進(jìn)入斯坦福大學(xué)化學(xué)系任教;2007年獲得斯坦福大學(xué)工程教學(xué)女教師優(yōu)秀獎;2010年底作為創(chuàng)辦人之一的C3Nano公司在美國硅谷成立；2011年獲得影響世界華人大獎；2015年被選為《自然》雜志年度十大人物；2016年當(dāng)選美國國家工程院院士；2017年獲得世界杰出女科學(xué)家成就獎?。鮑哲南一直致力于化學(xué)、材料科學(xué)、能源、納米電子學(xué)和分子電子學(xué)等領(lǐng)域的研究，研究領(lǐng)域涉及能源、有機(jī)和高分子半導(dǎo)體材料、傳感材料和分子電子器件、納米電子學(xué) 。據(jù)悉，前不久，即2021年11月18日，2021兩院院士增選當(dāng)選名單公布，鮑哲南、張亞勤等人入選了外籍院士。至此，鮑哲南已成為三院院士。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2021年至今，鮑哲南院士就已在包括Nature、Science、Proceedings of the National Academy of Sciences、JACS、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Electronic Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、Nature Energy、Nature Electronics、Angewandte Chemie International Edition等期刊上，發(fā)表多篇文章，引用次數(shù)高達(dá)76002。文獻(xiàn)信息Matsuhisa, N., Niu, S., O’Neill, S.J.K.?et al.?High-frequency and intrinsically stretchable polymer diodes.?Nature?600,?246–252 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04053-6
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