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  隨著皮膚電子學領域的不斷發展，尤其是一系列新型高性能柔性（導電）半導體材料的出現，使得可拉伸/可穿戴仿生柔性電子器件逐漸走入人們的日常生活，在健康護理、運動生理監測等各個方面具有廣泛的應用潛力。目前，仿生的導電水凝膠/彈性體等軟物質體系、褶皺/螺旋等應力緩沖材料結構優化以及聚合物材料分子鏈結構（一級及二級結構）調控等諸多策略被成功用于構筑柔性可拉伸電子器件。但是，導電材料機械拉伸性提升的同時，往往會導致材料電荷傳輸效率的降低，損耗器件的電學性能。

  近日，美國斯坦福大學鮑哲南教授研究團隊發展了一種溶液剪切結合納米限域效應的溶液加工方法，簡便實現了半導體高分子材料在從分子尺度、介觀尺度到宏觀尺度的多尺度有序規整排列，大幅提升了共軛高分子薄膜的電荷傳輸效率和機械可拉伸性。該研究成果還適用于大規模制備可拉伸半導體膜材料（米級），有望極大推進柔性皮膚電子器件的工業化進程。相關論文發表于Nature Materials。

多尺度有序規整排列共軛高分子構筑過程及表征。圖片來源：Nat. Mater.

  研究人員采用圖案化刀片輔助溶液剪切法誘導共軛高分子鏈取向規整排列，借助共軛半導體聚合物（DPPDTSE）與彈性嵌段聚合物（SEBS）相分離產生的限域效應“凍結”共軛高分子取向態結構實現多尺度聚合物鏈結構規整序列的穩定性。同時，研究表明溶液濃度、剪切速率和溫度能夠影響最終共軛聚合物鏈的規整性，最佳實驗條件為：溶液濃度30 mg ml^-1、剪切速率3 mm s^-1、操作溫度50 °C。

  納米限域效應使得聚合物鏈規整排列并提升共軛聚合物鏈短程π-π堆疊，有效降低了載流子傳輸的能量勢壘從而大幅改善其電學性能。與傳統的旋涂工藝相比，該方法制備的6種共軛高分子膜其電荷傳輸效率提升了約2-6倍，且在100%拉伸應變條件下膜材料表面未觀察到裂紋產生，展現出優異的可拉伸性能。

多尺度有序排列共軛聚合物電性能測試。圖片來源：Nat. Mater.

  為進一步探究材料規整形貌與共軛高分子膜電性能的內在關系，研究人員對不同工藝條件下制備的共軛聚合物晶體管的帶隙及傳輸活化能（EA）進行了對比測。研究表明，納米共軛聚合物纖維的宏觀尺度規整排列對晶體管帶隙的影響不大；但是納米纖維的規整排列有效減少不利于電荷傳輸的材料形貌邊界從而有效降低體系電荷傳輸活化能，賦予器件最優載流子遷移率。同時，共軛聚合物鏈的多尺度有序排列賦予器件優異的可拉伸性能，在100%拉伸應變條件下膜材料載流子遷移率恒定在1.5 cm² V s^-1，且在1000余次循環拉伸測試中展現出卓越的電性能穩定性。

新型共軛聚合物晶體管帶隙及傳輸活化能測試。圖片來源：Nat. Mater.

新型共軛聚合物導電器件可拉伸性能測試。圖片來源：Nat. Mater.

  基于該半導體薄膜制備策略的簡便性，研究團隊通過卷對卷印刷工藝實現了米級尺寸半導體薄膜涂層的大面積制備，為可拉伸半導體薄膜工業化生產奠定了基礎。

多尺度有序排列共軛聚合物膜的大面積制備。圖片來源：Nat. Mater.

  鮑哲南教授團隊采用溶液剪切誘導聚合物鏈取向，結合材料體系相分離產生的納米限域效應“凍結”鏈取向結構，簡便實現了材料體系從微觀、介觀到宏觀尺度的多尺度有序結構調控，賦予了共軛聚合物超高電學性能的同時，保持了材料固有的良好機械拉伸性。該研究成果進一步促進了人們對可拉伸材料的結構和性能關系的理解，為其他半導體材料的設計及開發利用提供了重要的借鑒。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0340-5