直接光刻高分子半導體：構建低電壓、高穩(wěn)定可拉伸互補電路

近年來，類皮膚電子（skin-inspired electronics）在可穿戴健康監(jiān)測、柔性機器人以及植入式醫(yī)療設備等領域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，真正實現(xiàn)與人體組織“無縫融合”的電子系統(tǒng)，仍面臨關鍵瓶頸：一方面，傳統(tǒng)電子器件難以承受大幅拉伸；另一方面，盡管已有可拉伸晶體管取得進展，但大多數(shù)仍停留在單極型（p型）器件，難以構建高性能、低功耗的互補電路體系。尤其是n型材料性能不足、層層溶液加工過程中的性能衰減，以及難以實現(xiàn)高密度、可擴展制造，使得可拉伸互補電路的發(fā)展長期受限。

針對上述難題，斯坦福大學鮑哲南院士團隊提出了一種基于“可直接光刻圖案化高分子半導體”的全新策略，成功實現(xiàn)了全溶液加工、本征可拉伸的有機互補電路。研究通過將高性能n型聚合物嵌入彈性體網(wǎng)絡，并結合對p型材料的氟化保護，實現(xiàn)了p/n雙極材料的連續(xù)光刻加工。在此基礎上，團隊構建了可在100%拉伸下穩(wěn)定工作的邏輯門和環(huán)形振蕩器，且工作電壓低至2 V。這一成果不僅突破了材料與工藝的雙重限制，也為高性能柔性電子系統(tǒng)的規(guī)模化制造提供了新路徑。相關成果以“Intrinsically stretchable complementary circuits based on direct photo-patternable polymer semiconductors”為題發(fā)表在《Nature Electronics》上，第一作者為Qianhe Liu。

從整體結構出發(fā)，這項工作的核心在于重新設計“材料+工藝”的協(xié)同體系。如圖1a所示，研究構建了一種典型的可拉伸互補反相器結構，其中p型與n型半導體、介電層及電極均可實現(xiàn)柔性與拉伸。圖1b進一步展示了完整器件的分層結構——所有功能層均通過溶液法逐層構建，無需傳統(tǒng)轉移工藝，使得器件更適合大面積制造。更關鍵的是，在圖1c和圖1d中，作者提出了一種新的材料設計理念：通過共價交聯(lián)和光刻圖案化，使p型與n型材料能夠在同一體系中連續(xù)加工且互不干擾，從而實現(xiàn)真正意義上的互補電路集成。

圖1： 展示可拉伸互補電路的整體結構設計與材料策略，包括器件結構、分層制造及p/n材料的光刻圖案化流程。

圍繞這一理念，研究首先突破的是n型半導體的設計難題。如圖2a所示，團隊將高性能n型聚合物F4BDOPV-2T嵌入彈性體BA基體中，形成一種“納米纖維網(wǎng)絡+橡膠基底”的復合結構。這種結構的關鍵在于相分離：如圖2b的AFM形貌所示，剛性半導體形成連續(xù)纖維網(wǎng)絡，而柔性彈性體填充其間，使材料在拉伸時能夠通過網(wǎng)絡變形而非斷裂來釋放應力。進一步的光譜與X射線分析（圖2c、2d）表明，這種復合并未破壞分子堆積結構，反而在一定程度上增強了鏈間相互作用，從而保持甚至優(yōu)化電學性能。在電學性能方面，圖2e與圖2f展示了不同配比材料的晶體管性能。令人驚喜的是，當彈性體與半導體比例為1:1時，器件仍可保持接近原始材料84%的電子遷移率，同時顯著提升環(huán)境穩(wěn)定性。這說明，通過合理的結構設計，可以在“柔性”和“高性能”之間實現(xiàn)平衡，而這正是可拉伸電子長期以來的核心難題之一。

圖2： 解析n型半導體與彈性體復合后的微觀結構、電學性能及分子堆積特性。

進一步的機械測試揭示了該材料的真正優(yōu)勢。如圖3a所示，純半導體薄膜在25%應變時即出現(xiàn)裂紋，而復合材料可在100%拉伸下保持完整。AFM圖像（圖3b）清晰顯示，在極限拉伸后，復合材料仍保持連續(xù)纖維結構。與此同時，圖3c中的偏振光測試表明，材料在拉伸過程中會發(fā)生鏈取向，從而有助于維持甚至提升載流子傳輸能力。這一點也在器件測試中得到驗證：如圖3e所示，復合材料晶體管在100%拉伸下仍保持97%的遷移率，而傳統(tǒng)材料性能大幅下降。

圖3： 展示材料在拉伸條件下的機械穩(wěn)定性與電學保持能力，包括裂紋抑制與遷移率變化。

在材料之外，工藝創(chuàng)新同樣關鍵。圖4a展示了一種“直接光刻圖案化”策略：通過紫外光激發(fā)交聯(lián)反應，使材料在曝光區(qū)域固化并具備溶劑穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)一步成型的圖案化。圖4b與4c進一步證明，該方法不僅能實現(xiàn)微米級圖案，還不會破壞材料內部結構。更重要的是，如圖4e所示，即使經(jīng)過圖案化處理，器件在拉伸狀態(tài)下依然保持優(yōu)異性能，這為復雜電路制造提供了可能。然而，在實現(xiàn)p/n雙極材料集成時，一個關鍵問題浮現(xiàn)：后續(xù)加工會破壞已有層的性能。對此，研究提出了“氟化保護”策略（圖4f），通過在p型材料表面引入氟化分子，形成保護層，從而避免在后續(xù)n型材料加工過程中發(fā)生性能衰減。對比圖4g與圖4h可以看出，這一策略成功將漏電流降低了數(shù)個數(shù)量級，使多層結構得以穩(wěn)定構建。在材料與工藝雙重突破的基礎上，團隊最終實現(xiàn)了完整的可拉伸互補電路系統(tǒng)。圖4i展示了基本的反相器（NOT門），其在不同電壓下均能實現(xiàn)清晰的邏輯輸出。更重要的是，如圖4j和圖4k所示，該器件在100%拉伸下仍保持穩(wěn)定增益（>10），且工作電壓低至2 V，遠優(yōu)于以往可拉伸電子器件。

圖4： 介紹直接光刻圖案化方法及其在互補反相器中的應用，同時展示氟化保護策略。

進一步地，研究擴展至更復雜邏輯單元。如圖5a–c所示，NAND門在不同輸入組合下均能輸出正確邏輯，并在拉伸狀態(tài)下保持穩(wěn)定。同樣，圖5d–f展示了NOR門的可靠運行。這些結果表明，該體系不僅適用于單一器件，更具備構建復雜電路的能力。最終，團隊構建了三階環(huán)形振蕩器（圖5g–i），實現(xiàn)了連續(xù)信號輸出。即使在100%拉伸條件下，器件仍能維持振蕩行為，盡管頻率略有下降，但整體功能穩(wěn)定。這標志著可拉伸電子從“單器件”邁向“系統(tǒng)級電路”的重要一步。

圖5： 展示復雜電路實現(xiàn)，包括NAND、NOR邏輯門及環(huán)形振蕩器在拉伸狀態(tài)下的性能表現(xiàn)。

總結與展望

總體來看，這項研究通過材料設計與制造工藝的協(xié)同創(chuàng)新，首次實現(xiàn)了高性能、本征可拉伸的互補有機電路體系。其核心突破在于：構建了兼具高遷移率與高拉伸性的n型材料，實現(xiàn)了p/n材料的連續(xù)光刻加工，并成功演示了低電壓、高穩(wěn)定性的邏輯電路與振蕩器。這一成果為未來柔性電子、生物電子以及智能可穿戴系統(tǒng)奠定了重要基礎。展望未來，隨著材料性能進一步優(yōu)化及集成度提升，這類“像皮膚一樣柔軟”的電子系統(tǒng)，有望真正融入人體，實現(xiàn)持續(xù)健康監(jiān)測與人機交互的新范式。