新方法可以扩展、简化弹性半导体的制造

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料。从科学技术和经济发展的角度 来看，半导体影响着人们的日常工作生活，直到20世纪30年代这一材料才被学术界所认可。

近年来，柔性半导体正成为未来电子产品发展的新趋势。不同于传统刚性电子产品，柔性半导体产品能在一定范围的形变条件下正常工作，被广泛应用于各个领域。

传统的电子产品与芯片，因其材料优异的稳定性和电气性能而备受芯片制造商的青睐，但也正因它们这种特性，导致其无法弯曲、折叠、扭转、压缩、拉伸，这样极大的限制了它们应用的潜力。

开发具有高迁移率的可拉伸橡胶半导体，是发展能与生物组织无缝集成的柔性晶体管及电路的关键挑战。传统的使不可拉伸半导体变得可拉伸的策略主要包括设计面外褶皱、面内弯曲、kirigami等特殊结构，然而半导体并不具备本征可拉伸性。使用在聚合物主链引入柔性基团或在橡胶体中共价嵌入半导体聚合物等分子设计方法可以制备本征可拉伸的半导体，然而该方法需要复杂的有机合成手段。通过混合半导体聚合物和弹性基质可以制备类似橡胶的可拉伸复合材料，然而，这种方法仍只适用于构造特定微观结构。此外，将半导体纳米线或纳米纤维嵌入橡胶基体制备可拉伸复合材料的方法也不具备普适性。

美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组近期以“Elastic electronics based on micromesh-structuredrubbery semiconductor films”为题在Nature Electronics上报道了一种基于横向相分离诱导微网格结构的橡胶半导体薄膜。通过旋涂两种聚合物的共混溶液并实现横向相分离，可以获得具有连续富半导体相和孤立富弹性体相的微网格结构。这种微网格结构橡胶半导体同时具备有效的电荷传输和机械拉伸能力。通过混合不同聚合物，文中实现了p型和n型的橡胶半导体薄膜的制备，并展示在50%的机械应变下，由该薄膜制成的橡胶晶体管、互补反相器和双层异质结光电探测器仍具备稳定性能。

而近日，宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究团队计划通过一种新的制造方法使该过程更容易、更便宜。

他们于 11 月 28 日在Nature Electronics上发表了他们的方法。

该过程被称为横向相分离诱导微网格 (LPSM) 策略，涉及混合半导体和弹性体(或橡胶)并旋涂液体混合物前体以制造橡胶状半导体薄膜。旋涂薄膜自动触发一种称为横向相分离的机制，可在几秒钟内生成微网格结构。

工程科学与力学副教授、生物医学工程和材料科学与工程副教授 Dorothy Quiggle 职业发展副教授 Dorothy Quiggle Yu 表示，类似于篮子编织的微网材料是允许机械拉伸的组成部分。

“用于制造弹性半导体的 LPSM 薄膜有望同时实现高效的电荷传输和机械拉伸性，”Yu 说。

研究人员使用 LPSM 方法创建了p 型和 n 型半导体，其主要载流子分别是空穴和电子。Yu 表示，使用这两种半导体类型，研究人员创造了晶体管、逆变器和光电探测器等软电子设备，这些设备可以在很大程度上拉伸同时保持功能。此外，研究人员还创造了一种称为心外膜贴片的橡胶状生物电子设备，并将其植入啮齿动物体内。

“当老鼠的心脏随着心跳扩张和收缩时，完全由橡胶制成的心外膜贴片也随之移动，”Yu 说。“我们用贴片同时记录了多个电生理读数通道。在心脏的多个部位进行记录对于识别心律失常等心脏问题很重要。”

Yu 表示，展望未来，研究人员希望进一步优化 LPSM 工艺并研究半导体材料的详细特性。他们还计划在各种高性能集成电子和功能系统中使用 LPSM 半导体薄膜。