史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!

數十年來,龐大笨重的電子設備逐漸變得小巧便攜,柔性和可伸縮電子設備在健康監測和人造皮膚等領域的發展越來越快,半導體聚合物以其優異的化學可調性、溶液加工性和機械變形性逐漸在這些領域得到瞭廣泛應用,極大的促進瞭下一代可穿戴設備的發展。

然而,半導體聚合物受其固有的剛性骨架和分子量限制,其彈性模量通常比人體皮膚高,循環拉伸時滯後效應較強,導致可穿戴設備與人體皮膚之間的機械性能極不匹配,設備從柔軟皮膚的屈曲和分層是一個潛在的問題。

亮點

近期,南密西西比大學的顧曉丹教授報道瞭一種抗撕裂和室溫自愈合的半導體復合膜,該復合膜由共軛聚合物丁基橡膠(BR)彈性體組成,不僅顯示出前所未有的低彈性模量(<1 MPa)和超高變形性,而且斷裂應變超過800%,並通過物理接觸實驗證明瞭該復合膜的自愈合能力。此外,由於BR具有對氧氣和水的阻隔性,復合膜顯示出超過5個月的高穩定性,可用於制造模擬人類皮膚的抗撕裂性和可愈合特性的新型彈性電子器件!

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!

抗撕裂和自愈合復合膜的結構

如圖1所示,研究人員使用具有出色的彈性以及對氧氣和水出色阻隔性能的丁基橡膠(BR)作為彈性體基體,選擇具有高電荷遷移率的PDPPTVT作為供體聚合物來制備具有抗撕裂和可愈合復合膜。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖1. PDPPTVT/BR復合膜的拉伸示意圖

PDPPTVT/BR復合膜的可變形性測試

與圖2所示的原始PDPPTVT膜的低變形性相反,圖3的PDPPTVT/BR復合膜表現出瞭前所未有的超低彈性模量和超過800%高斷裂應變,顯示出瞭現有半導體復合材料中最低的模量和最高的可變形性。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖2. PDPPTVT膜的拉伸實驗
史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖3. PDPPTVT/BR復合膜的拉伸實驗

PDPPTVT/BR復合膜的抗撕裂性

隨後,研究人員使用邊緣帶有缺口的薄膜測試抗撕裂性。如圖4所示,原始PDPPTVT膜很快破裂;而PDPPTVT/BR復合膜即使在100%應變下也不會完全斷裂,這是由於高度糾纏的BR聚合物鏈可以抵抗鏈滑移和斷裂,極大地改善共軛聚合物的機械性能,使復合膜具有極高的開裂應變和出色的抗撕裂性能。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖4. 薄膜的撕裂性比較

PDPPTVT/BR復合膜的電性能測試

接下來,研究人員對復合膜進行瞭電性能測試,以探究該復合膜在柔性電子器件的應用性。首先將復合膜拉伸至所需的應變,然後制造有機場效應晶體管(OFET),如圖5所示,復合膜在沿兩個電荷傳輸方向施加150%應變時,電荷載流子遷移率沒有發生明顯變化,證明瞭該復合膜即使在應變狀態下仍具有強大的電性能。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖5. PDPPTVT/BR復合膜的電性能表征

PDPPTVT/BR復合膜的穩定性

由於有機半導體材料的電性能通常會在有氧氣和水的條件下迅速退化,因此研究人員探究瞭環境條件下PDPPTVT/BR復合膜制成的OFET器件在不同應變下的穩定性,結果如圖6所示,在環境條件下存儲超過150天後,電荷載流子遷移率僅顯示出有限的降解,表明該復合膜具有優異的穩定性能。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖6. 基於復合膜的OFET器件的電荷載流子遷移率

PDPPTVT/BR復合膜的自愈合性能

隨後,研究人員測試瞭PDPPTVT/BR復合膜在室溫下的自愈合性能。如圖7、8所示,將兩片復合膜接觸並壓縮,2秒鐘後拉伸,可以明顯看出,在壓縮過程中復合膜自動相互粘合,愈合後的薄膜可拉伸超過其原始長度的150%。而圖9的PDPPTVT膜則沒有顯示任何自愈的跡象,證實瞭該復合膜優異的自愈合性能。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖7. 自愈合過程示意圖
史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖8. PDPPTVT/BR復合膜的自愈合測試
史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖9. PDPPTVT膜的自愈合測試

最後,研究人員將自愈合的復合膜進行瞭1、50、100和500個拉伸循環後進行電性能測試,從圖10可以看出,自愈合復合膜的電荷遷移率都保持在相同的數量級,沒有發生明顯變化,證明瞭該復合膜在機械和電性能上的可自愈性。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半導體!
圖10. 自愈合復合膜經不同循環後的電荷載流子遷移率

在本篇文章中,研究人員證明瞭BR作為一種新型的基質聚合物,用於制備半導體復合膜。復合膜表現出空前的機械和電氣性能,包括創紀錄的低模量、高變形性以及抗撕裂能力。我們相信,這項技術將在制造新型可拉伸導電復合材料方面具有巨大潛力,並有望開發用於共軛聚合物復合材料的新型彈性體,以推動可穿戴應用中更堅固和靈活的柔性電子產品的發展!

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000663

相关新闻