數(shù)十年來(lái)，龐大笨重的電子設(shè)備逐漸變得小巧便攜，柔性和可伸縮電子設(shè)備在健康監(jiān)測(cè)和人造皮膚等領(lǐng)域的發(fā)展越來(lái)越快，半導(dǎo)體聚合物以其優(yōu)異的化學(xué)可調(diào)性、溶液加工性和機(jī)械變形性逐漸在這些領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，極大的促進(jìn)了下一代可穿戴設(shè)備的發(fā)展。
然而，半導(dǎo)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(huán)拉伸時(shí)滯后效應(yīng)較強(qiáng)，導(dǎo)致可穿戴設(shè)備與人體皮膚之間的機(jī)械性能極不匹配，設(shè)備從柔軟皮膚的屈曲和分層是一個(gè)潛在的問(wèn)題。
亮點(diǎn)
近期，南密西西比大學(xué)的顧曉丹教授報(bào)道了一種抗撕裂和室溫自愈合的半導(dǎo)體復(fù)合膜，該復(fù)合膜由共軛聚合物和丁基橡膠（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(yīng)變超過(guò)800％，并通過(guò)物理接觸實(shí)驗(yàn)證明了該復(fù)合膜的自愈合能力。此外，由于BR具有對(duì)氧氣和水的阻隔性，復(fù)合膜顯示出超過(guò)5個(gè)月的高穩(wěn)定性，可用于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！
抗撕裂和自愈合復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)
如圖1所示，研究人員使用具有出色的彈性以及對(duì)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(lái)制備具有抗撕裂和可愈合復(fù)合膜。
PDPPTVT/BR復(fù)合膜的可變形性測(cè)試
與圖2所示的原始PDPPTVT膜的低變形性相反，圖3的PDPPTVT/BR復(fù)合膜表現(xiàn)出了前所未有的超低彈性模量和超過(guò)800％高斷裂應(yīng)變，顯示出了現(xiàn)有半導(dǎo)體復(fù)合材料中最低的模量和最高的可變形性。
PDPPTVT/BR復(fù)合膜的抗撕裂性
隨后，研究人員使用邊緣帶有缺口的薄膜測(cè)試抗撕裂性。如圖4所示，原始PDPPTVT膜很快破裂；而PDPPTVT/BR復(fù)合膜即使在100％應(yīng)變下也不會(huì)完全斷裂，這是由于高度糾纏的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(jī)械性能，使復(fù)合膜具有極高的開(kāi)裂應(yīng)變和出色的抗撕裂性能。
PDPPTVT/BR復(fù)合膜的電性能測(cè)試
接下來(lái)，研究人員對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行了電性能測(cè)試，以探究該復(fù)合膜在柔性電子器件的應(yīng)用性。首先將復(fù)合膜拉伸至所需的應(yīng)變，然后制造有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET），如圖5所示，復(fù)合膜在沿兩個(gè)電荷傳輸方向施加150％應(yīng)變時(shí)，電荷載流子遷移率沒(méi)有發(fā)生明顯變化，證明了該復(fù)合膜即使在應(yīng)變狀態(tài)下仍具有強(qiáng)大的電性能。
PDPPTVT/BR復(fù)合膜的穩(wěn)定性
由于有機(jī)半導(dǎo)體材料的電性能通常會(huì)在有氧氣和水的條件下迅速退化，因此研究人員探究了環(huán)境條件下PDPPTVT/BR復(fù)合膜制成的OFET器件在不同應(yīng)變下的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖6所示，在環(huán)境條件下存儲(chǔ)超過(guò)150天后，電荷載流子遷移率僅顯示出有限的降解，表明該復(fù)合膜具有優(yōu)異的穩(wěn)定性能。
PDPPTVT/BR復(fù)合膜的自愈合性能
隨后，研究人員測(cè)試了PDPPTVT/BR復(fù)合膜在室溫下的自愈合性能。如圖7、8所示，將兩片復(fù)合膜接觸并壓縮，2秒鐘后拉伸，可以明顯看出，在壓縮過(guò)程中復(fù)合膜自動(dòng)相互粘合，愈合后的薄膜可拉伸超過(guò)其原始長(zhǎng)度的150％。而圖9的PDPPTVT膜則沒(méi)有顯示任何自愈的跡象，證實(shí)了該復(fù)合膜優(yōu)異的自愈合性能。
最后，研究人員將自愈合的復(fù)合膜進(jìn)行了1、50、100和500個(gè)拉伸循環(huán)后進(jìn)行電性能測(cè)試，從圖10可以看出，自愈合復(fù)合膜的電荷遷移率都保持在相同的數(shù)量級(jí)，沒(méi)有發(fā)生明顯變化，證明了該復(fù)合膜在機(jī)械和電性能上的可自愈性。
在本篇文章中，研究人員證明了BR作為一種新型的基質(zhì)聚合物，用于制備半導(dǎo)體復(fù)合膜。復(fù)合膜表現(xiàn)出空前的機(jī)械和電氣性能，包括創(chuàng)紀(jì)錄的低模量、高變形性以及抗撕裂能力。我們相信，這項(xiàng)技術(shù)將在制造新型可拉伸導(dǎo)電復(fù)合材料方面具有巨大潛力，并有望開(kāi)發(fā)用于共軛聚合物復(fù)合材料的新型彈性體，以推動(dòng)可穿戴應(yīng)用中更堅(jiān)固和靈活的柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展！
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