史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!

数十年来,庞大笨重的电子设备逐渐变得小巧便携,柔性和可伸缩电子设备在健康监测和人造皮肤等领域的发展越来越快,半导体聚合物以其优异的化学可调性、溶液加工性和机械变形性逐渐在这些领域得到了广泛应用,极大的促进了下一代可穿戴设备的发展。

然而,半导体聚合物受其固有的刚性骨架和分子量限制,其弹性模量通常比人体皮肤高,循环拉伸时滞后效应较强,导致可穿戴设备与人体皮肤之间的机械性能极不匹配,设备从柔软皮肤的屈曲和分层是一个潜在的问题。

亮点

近期,南密西西比大学的顾晓丹教授报道了一种抗撕裂和室温自愈合的半导体复合膜,该复合膜由共轭聚合物丁基橡胶(BR)弹性体组成,不仅显示出前所未有的低弹性模量(<1 MPa)和超高变形性,而且断裂应变超过800%,并通过物理接触实验证明了该复合膜的自愈合能力。此外,由于BR具有对氧气和水的阻隔性,复合膜显示出超过5个月的高稳定性,可用于制造模拟人类皮肤的抗撕裂性和可愈合特性的新型弹性电子器件!

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!

抗撕裂和自愈合复合膜的结构

如图1所示,研究人员使用具有出色的弹性以及对氧气和水出色阻隔性能的丁基橡胶(BR)作为弹性体基体,选择具有高电荷迁移率的PDPPTVT作为供体聚合物来制备具有抗撕裂和可愈合复合膜。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图1. PDPPTVT/BR复合膜的拉伸示意图

 

PDPPTVT/BR复合膜的可变形性测试

与图2所示的原始PDPPTVT膜的低变形性相反,图3的PDPPTVT/BR复合膜表现出了前所未有的超低弹性模量和超过800%高断裂应变,显示出了现有半导体复合材料中最低的模量和最高的可变形性。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图2. PDPPTVT膜的拉伸实验

 

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图3. PDPPTVT/BR复合膜的拉伸实验

 

PDPPTVT/BR复合膜的抗撕裂性

随后,研究人员使用边缘带有缺口的薄膜测试抗撕裂性。如图4所示,原始PDPPTVT膜很快破裂;而PDPPTVT/BR复合膜即使在100%应变下也不会完全断裂,这是由于高度纠缠的BR聚合物链可以抵抗链滑移和断裂,极大地改善共轭聚合物的机械性能,使复合膜具有极高的开裂应变和出色的抗撕裂性能。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图4. 薄膜的撕裂性比较

 

PDPPTVT/BR复合膜的电性能测试

接下来,研究人员对复合膜进行了电性能测试,以探究该复合膜在柔性电子器件的应用性。首先将复合膜拉伸至所需的应变,然后制造有机场效应晶体管(OFET),如图5所示,复合膜在沿两个电荷传输方向施加150%应变时,电荷载流子迁移率没有发生明显变化,证明了该复合膜即使在应变状态下仍具有强大的电性能。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图5. PDPPTVT/BR复合膜的电性能表征

 

PDPPTVT/BR复合膜的稳定性

由于有机半导体材料的电性能通常会在有氧气和水的条件下迅速退化,因此研究人员探究了环境条件下PDPPTVT/BR复合膜制成的OFET器件在不同应变下的稳定性,结果如图6所示,在环境条件下存储超过150天后,电荷载流子迁移率仅显示出有限的降解,表明该复合膜具有优异的稳定性能。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图6. 基于复合膜的OFET器件的电荷载流子迁移率

 

PDPPTVT/BR复合膜的自愈合性能

随后,研究人员测试了PDPPTVT/BR复合膜在室温下的自愈合性能。如图7、8所示,将两片复合膜接触并压缩,2秒钟后拉伸,可以明显看出,在压缩过程中复合膜自动相互粘合,愈合后的薄膜可拉伸超过其原始长度的150%。而图9的PDPPTVT膜则没有显示任何自愈的迹象,证实了该复合膜优异的自愈合性能。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图7. 自愈合过程示意图

 

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图8. PDPPTVT/BR复合膜的自愈合测试

 

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图9. PDPPTVT膜的自愈合测试

 

最后,研究人员将自愈合的复合膜进行了1、50、100和500个拉伸循环后进行电性能测试,从图10可以看出,自愈合复合膜的电荷迁移率都保持在相同的数量级,没有发生明显变化,证明了该复合膜在机械和电性能上的可自愈性。

史上最柔!新型抗撕裂、自愈合柔性半导体!
图10. 自愈合复合膜经不同循环后的电荷载流子迁移率

 

在本篇文章中,研究人员证明了BR作为一种新型的基质聚合物,用于制备半导体复合膜。复合膜表现出空前的机械和电气性能,包括创纪录的低模量、高变形性以及抗撕裂能力。我们相信,这项技术将在制造新型可拉伸导电复合材料方面具有巨大潜力,并有望开发用于共轭聚合物复合材料的新型弹性体,以推动可穿戴应用中更坚固和灵活的柔性电子产品的发展!

原文链接:

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

相关文章

微信