鲍哲南团队Nature：可感知小小瓢虫的电子皮肤

副标题：可规模化生产的柔性晶体管阵列，推动电子皮肤发展

皮肤是人体最大的器官，不但可以感知压力、温度等触觉信息，还具有柔软、可拉伸、自我修复等多种特性。人类皮肤的触觉非常敏锐，即使微小如蚊蝇，短时间逗留都会被觉察。对于人工电子皮肤（skin electronics）来说，尽管有了长足的进步，其触觉还谈不上“灵敏”，柔性和可拉伸性也不尽如人意，这些限制了电子皮肤在包括假肢在内的医用装置、可穿戴设备、虚拟现实以及机器人等领域的发展。电子皮肤的发展目标就是模拟人类皮肤的功能和特性，因此，斯坦福大学的鲍哲南（Zhenan Bao）教授（点击查看介绍）认为，完美的电子皮肤需要拥有以下3方面的特性：（1）感知外界刺激，识别触觉信号；（2）模拟人体皮肤优异的柔性，可拉伸；（3）将感知信息传递给“大脑”，实现人机通信与反馈。^[1]

人造皮肤传导示意图。图片来源：Nat. Mater.^[1]

2015年，鲍哲南团队在人造皮肤的“触觉”感知上取得了突破，通过整合碳纳米管、有机电子材料和光控基因技术，她们在Science 报道了一种可以响应压力变化并可以向神经细胞发送信号的新型人造皮肤。^[2]（相关资讯：材料名家鲍哲南：能给神经传导触觉的人工皮肤）。其他也有不少研究制造了各种类型的电子皮肤，所用策略多是通过结构工程赋予刚性无机或有机器件在整体层面上的柔性。这些策略相当巧妙，但也面对诸如制造过程复杂和器件密度低等问题，使得后续的商业化前景变得不那么光明。鲍哲南团队认为这些电子皮肤的材料和器件在本质上并非可拉伸，这从根本上限制了电子皮肤的性能。而那些本质上可拉伸的材料和以之为基础的器件，制备技术并不成熟，目前很难实现规模化，也就难以用于电子皮肤。

近日，鲍哲南团队在这一领域再次做出重要突破。她们首次成功开发出可以量产的高密度、高灵敏度、可拉伸晶体管阵列，平均每平方厘米的尺寸中就有347个晶体管。晶体管的平均载流子迁移率与非晶硅相当，在经历1000次100%应变后，也只有轻微变化。这一成果不但创造了一种可拉伸的聚合物电路，其灵敏度甚至可以检测小小瓢虫的足迹；同时也提出了一种大规模生产柔性可拉伸电子器件的方法，为电子皮肤今后的商业化提供了可能。相关成果发表在Nature 杂志上，共同第一作者为Sihong Wang博士和徐洁（Jie Xu）博士。

用电子皮肤感知瓢虫。图片来源：L.A. Cicero / Stanford University^[3]

鲍哲南教授（右）和徐洁博士（左）。图片来源：新华网（新华社记者吴晓凌摄）^[4]

在电子皮肤的发展研究中，尽管此前的报道开发了不同的可拉伸晶体管和传感器器件，而重复伸缩后，还能稳定传递数据的柔性晶体管阵列一直都是难以实现的目标。其难点在于器件的材料要在大应变的条件下，依旧保持稳定的导电性。鲍哲南团队选择具有本征可拉伸性的聚合物，创造出平均每平方厘米347个柔性晶体管的记录；在100%拉伸形变条件下，器件的平均迁移率为0.98 cm² V^-1 s^-1，不逊于基于非晶硅的器件。

柔性晶体管阵列作为电子皮肤。图片来源：Nature

研究者利用旋涂、溶液沉积、紫外固化、氧离子刻蚀等方法相结合，制备了面积为4.4 × 4.4  cm²、共包括6300个柔性晶体管的阵列（上图c）。具体来说，先在硅片上涂一层葡聚糖牺牲层，再通过旋涂和紫外光固化得到图案化的可拉伸介电层（交联SEBS）；然后利用溶液沉积法，将可拉伸的半导体聚合物（CONPHINE）与可拉伸源漏电极（碳纳米管，CNT）图案化，制备出顶接触结构的晶体管；器件上再覆盖一层可拉伸的SEBS基底，然后通过浸泡，使柔性器件和刚性硅片脱离；最后图案化可拉伸栅极电极（CNT），完成制备。

可拉伸晶体管阵列制备示意图。图片来源：Nature

可拉伸的半导体聚合物CONPHINE。图片来源：Nature

其中，半导体层的图案化过程比较有趣，研究者设计了使用氟化聚合物作为牺牲层，铜掩模保护的策略，随后用氧等离子体将基底上的半导体刻蚀掉，最后再用溶剂除去牺牲层。该方法在不同材料的可拉伸半导体器件中具有良好的普遍适用性。

可拉伸半导体层的图案化制备示意图。图片来源：Nature

利用该工艺制备的晶体管具有良好的器件均一性，平均载流子迁移率为0.821 ± 0.105 cm² V^-1 s^-1，最大迁移率为1.11  cm² V^-1 s^-1。同时，在拉伸时器件的载流子迁移率也几乎不发生改变。

晶体管阵列的电学性能和可拉伸性能测试。图片来源：Nature

研究人员将这种可拉伸晶体管阵列粘在人手上时，器件并没有因为皮肤表面的不规则和变形而受到影响，测试效果依然非常好。作为一个仿真电子皮肤，分辨率达到每2毫米1个传感器，上面放置一个与真实大小相仿的小瓢虫玩具，其位置可以被精确探测。而且，佩戴者没有任何不适感觉，感觉像是“第二层皮肤”一样。

粘贴于手掌的晶体管阵列精确测量人工瓢虫的位置。图片来源：Nature

“对人造皮肤和柔性电子产品的研究已经取得了很大的进展，但直到目前为止，还没有一个可行的生产大面积可拉伸电路的方法。”鲍哲南教授说。^[3] 而该团队发展的这种可规模化生产的策略，采用电子工业的常规技术，已经成功地制备出4.4 × 4.4  cm²的可拉伸晶体管阵列，器件均一性、产率、产品的电学和机械性能都很出色，将对电子设备的发展带来革命性的改变。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array.

Nature, 2018, 555, 83-88, DOI: 10.1038/nature25494

导师介绍

鲍哲南

http://www.x-mol.com/university/faculty/35071

参考资料：

1. Pursuing prosthetic electronic skin. Nat. Mater., 2016, 15, 937-950

2. A skin-inspired organic digital mechanoreceptor. Science, 2015, 350, 313-316

3. https://news.stanford.edu/2018/02/19/stretchable-touch-sensitive-electronics/

4. http://www.xinhuanet.com/tech/2018-02/22/c_1122434935.htm

（本文由小希供稿）