Nature Communications|用于电子皮肤的自主自愈晶体管（柔性半导体器件/电子皮肤/柔性电子）

2024年4月23日，韩国庆熙大学Jin Young Oh，美国斯坦福大学鲍哲南（Zhenan Bao）和韩国嘉泉大学Tae Il Lee团队，在《Nature Communications》上发布了一篇题为“Autonomous self-healing supramolecular polymer transistors for skin electronics”的论文。论文内容如下：

一、 摘要

类皮肤场效应晶体管是用于未来人机交互电子皮肤应用的生物集成设备的关键元件。尽管最近类皮肤可拉伸晶体管发展迅速，但在赋予这些晶体管自主自愈能力的同时保持必要的电气性能仍然是一个挑战。在这里，作者描述了一种能够自主自愈的可拉伸聚合物晶体管。活性材料由电绝缘超分子聚合物与半导体聚合物或气相沉积金属纳米团簇的混合物组成。一个关键特征是对类皮肤晶体管中的所有有源层（即导体/半导体/电介质层）使用相同的超分子自愈聚合物基质。这提供了层之间的粘附性和紧密接触，从而促进了自主愈合后在应变下的有效电荷注入和传输。最后，作者制备了类皮肤的自愈电路，包括NAND、NOR门和反相器，他们都是算术逻辑单元的关键部件。这项工作极大地推动了自主自愈皮肤电子设备应用的发展。

二、背景介绍

受皮肤启发的薄膜场效应晶体管是用于皮肤电子集成电路的核心元件，迅速推动了可拉伸电子材料的发展，并已经展示出在健康监测、假肢感知皮肤、医疗植入物和脑机接口等领域的强大应用潜力。尽管上述器件取得了进展，但类皮肤设备在面对意外机械损伤时的自愈能力的研究仍然缺乏。

通过超分子聚合物化学开发的固有自愈绝缘材料，能够通过动态分子间相互作用进行重建。然而，对于电子材料来说，迄今为止报道的大多数自愈聚合物都是电绝缘的，这限制了它们在功能性自愈晶体管中的应用。因此，自愈半导体和电极是仿生皮肤晶体管应用理想的选择。实现完全自主自愈晶体管存在以下五个主要挑战：(i) 自愈半导体的低弹性导致疲劳失效，(ii) 非自主愈合过程涉及热处理和溶剂处理，不利于实际应用，(iii) 难以对齐有限的愈合区域（亚微米尺度），(iv) 应变敏感的电性质降低了电学稳定性，以及(v) 缺乏适合的自愈电极和介质材料，

来实现晶体管的有效电流注入和低工作电压。

三、内容详解

3.1 自主自愈半导体的材料设计

图1a展示了一种基于半导体聚合物和超分子弹性体混合物的自愈半导体薄膜的示意图。作者使用聚(2,5-bis(2-octyldodecyl)−3,6-di(thiophen-2-yl) diketopyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-alt-thieno[3,2-b]thiophene) (DPPT-TT)作为半导体，聚(dimethylsiloxane) (PDMS)–4,4′-methylenebis(phenyl urea) (MPU)–isophorone bisurea (IU) (PDMS–MPU00.6–IU0.4)