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“全橡膠”晶體管與傳感器

來源: X-MOL 2017-09-13 13:38:12

從天然橡膠被發現再到合成橡膠被廣泛應用的數百年里，橡膠通常都被用做彈性、絕緣的結構材料，比如手套、氣球、汽車輪胎等等。最近的一項研究成果或將顛覆人們的認知，原來橡膠也可以是半導體和導體，還能制造出全橡膠晶體管、傳感器等電子設備！

進入21世紀以來，一種新興的電子器件——“柔性可拉伸電子器件”進入了快速發展階段。由于具有優越的機械性能，柔性可拉伸電子器件在健康監測、醫療植入器件、人造皮膚以及人機交互等眾多傳統與新興領域具有巨大的技術優勢以及廣泛的應用前景。不過，目前廣泛存在的電子材料，尤其半導體材料，往往是脆性不可拉伸的，難以直接應用于柔性可拉伸電子器件。現在的主要解決方案是將不可拉伸的材料設計成特殊結構，例如褶皺、蛇形、彈簧、“孤島互連”等等，以此在拉伸、扭曲、彎曲時承受機械變形并免遭破壞。但是這些方法也有工藝復雜、結構可靠性差、制作成本高的缺點，難以大規模應用于柔性可拉伸電子器件。

美國休斯敦大學機械工程、電子工程以及材料工程系的余存江教授（點擊查看介紹）課題組在該領域取得了新的突破。他們開發了新型的橡膠半導體、橡膠導體材料，并用這些材料制作成的全橡膠晶體管、各種傳感器以及機器人皮膚。

他們首先巧妙的設計并制備出基于半導體納米纖維與硅橡膠的復合橡膠半導體材料。該復合材料由聚3-己基噻吩納米纖維與聚二甲基硅氧烷（P3HT-NF/PDMS）制成，其不僅具有優良的機械拉伸性能，而且具有良好的半導體電性能。這種橡膠半導體能夠在拉伸50%的情況下仍能保持良好的半導體電性能。與傳統半導體材料相比，橡膠半導體的機械性能實現了巨大的突破。他們還制作了可拉伸的橡膠導電材料，比如橡膠金和橡膠銀。總的來說，這些橡膠電子材料與傳統電子材料相比，都具有優越的的機械拉伸延展性能，同時還能滿足對材料的電性能需求。

利用這些橡膠電子材料（圖1），該課題組成功制成了全橡膠晶體管（圖2）以及各種全橡膠傳感器，如壓力、應變、溫度傳感器等。全橡膠晶體管在拉伸50%的情況下能夠正常工作，并且與不拉伸狀態相比，其載流子遷移率能夠保持55%。各種傳感器也具有良好的感測性能。

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