《Nature Electronics》综述：可拉伸晶体管与功能电路

原创前沿君材料科学前沿

【潜力巨大的可拉伸电子】

具有类似人体皮肤或组织机械性能(包括低刚度和高延展性)的电子产品在健康监测和人机交互等智能技术领域极具应用潜力。而这项技术的核心则是能够提供信号处理和计算功能的可拉伸晶体管器件。

各种电子器件之间的相互连接，能够有效地收集和交换信息，最终创造万物互联。而对人体的各种信息进行收集，则会推动智能医疗保健、人机界面的发展，甚至是开拓出更加先进的人类能力。然而，上述设想需要将电子设备与人体不同部位相连接，并收集高质量、高分辨率和高稳定的信号。这一类电子设备需要具有类似皮肤或组织的机械形状因子，尤其应该能够变形为数十倍的应变而不降低电子性能。

芝加哥大学王思泓课题组回顾了可拉伸晶体管和功能电路的发展，并从材料和器件工程的角度进行了评论。作者对目前已建立的三种制造可拉伸晶体管的方法，屈曲工程、刚度工程和本征可拉伸工程进行了总结。最后，作者还总结了可拉伸晶体管和电路在人类集成电子产品中的现有能力，以及未来所面临的挑战。相关论文以“Stretchable transistors and functional circuits for human-integrated electronics”为题，发表在《Nature Electronics》。时隔14天，另一篇和鲍哲南院士团队合作的研究论文“Strain-insensitive intrinsically stretchable transistors and circuits”发表在最新一期的《Nature Electronics》上（见今日头条推送）。

【场效应晶体管的基本知识和材料】

目前主要有两种场效应晶体管，即结型场效应晶体管（junction field-effect transistor, JFET）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET）。其中MOS晶体管因其较大的输入阻抗和对耗尽模式以及增强模式的兼容性，在集成电路中使用的更为频繁。该部分主要对MOS晶体管的结构、材料、特征曲线进行了简单介绍，并指出当前高性能半导体材料杨氏模量通常高于1 GPa，断裂应变小于5%，无法满足可拉伸晶体管和电路的需求。因此，需要在材料和器件设计上进行创新。

晶体管结构及转移、输出曲线

【采用屈曲工程实现的可拉伸晶体管和电路】

通过屈曲结构，可将面内拉伸转换为面外不易弯曲的变形，是一种制造可拉伸晶体管的普适性方法。屈曲结构可以通过预拉伸释放、压缩、模塑、溶剂膨胀、热膨胀和3D打印等方法实现。其中，预拉伸释放和模塑法被广泛应用。该部分对功能材料以及整个器件的屈曲工程进行总结，并指出，屈曲工程最突出的优点是操作简单，适用于大量材料和器件结构。此外，由于低程度的弯曲应变，器件电学性能稳定。然而，由于每个释放过程中屈曲形成是随机的，器件的多周期拉伸稳定性欠佳。且屈曲工程会导致器件表面粗擦，不易与生物组织贴合，同时也会干扰光的穿透，阻碍透明器件的发展。

通过屈曲工程实现可拉伸晶体管和电路

【采用刚度工程实现的可拉伸晶体管和电路】

通常情况下，电路系统是空间异构的，可划分为三个区域:功能器件区域，导线互连区域和空白间隔区域。为了赋予整个系统的可拉伸性，可通过适当的机械设计将大部分应变耗散到间隔区和导线互连区，使功能器件承受的应变最小化。该部分主要对充当连接线的可拉伸导体（包括液态金属、蛇形导线、微纳网络以及导电聚合物等）和岛状功能设备进行总结。该方法的主要优点在于整个系统的电气功能与拉伸独立，但是可拉伸的进一步提升，则需要对整个系统的机械设计进行优化，并保证软-硬界面处的牢固连接。

通过刚度工程实现可拉伸晶体管和电路

【本征可拉伸晶体管和电路】

上述两种策略保留了材料和器件的电性能，但却牺牲集成能力。而采用聚合物、一维纳米材料等本征可拉伸材料，则可以将延展性作为一种固有特性赋予电子材料，并保持其原始的功能。该部分主要对本征可拉伸半导体的设计策略（包括主链工程backbone engineering、侧链工程side-chain engineering以及形态工程morphological engineering）、本征可拉伸介电材料（如弹性体PDMS、PU以及离子凝胶等）以及本征可拉伸晶体管的制备进行总结。并指出了该方法存在的挑战，如提高载流子迁移率、降低器件工作电压、器件微型化与密度提升和改善电极接触界面的电荷注入等。

本征可拉伸晶体管和电路

【应用与展望】

可拉伸晶体管可用于输入和输出端之间的信号处理，具备传感、多路复用、模拟信号调制以及数字计算的功能。尽管可拉伸晶体管和电路发展迅速，但是在材料创新、器件制造和电路设计架构方面仍然存在挑战。为了最大限度地利用该技术，需要广泛地了解这些通用方法在不同功能和应用程序方面的优缺点。

可拉伸晶体管和功能电路的进展

名称：材料科学前沿

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