高度可拉伸高分子半导体薄膜里的多尺度排列

可拉伸弯折的仿生皮肤电子器件近年来迅猛发展，并且逐渐展现出改变人们生活的巨大潜力。其中，可拉伸的半导体材料对于仿皮肤电子器件的实现具有至关重要的作用。虽然，目前可拉伸材料的结构和性能关系的理解已经有了巨大的进展，但是，在实现超高的电学性能的同时，保持材料固有的良好机械拉伸性仍然是目前的挑战。

目前，制备可拉伸共轭高分子的主流方法有三类：（1）引入柔性基团提高高分子链柔性或动力学相互作用，耗散所施加的应变能；（2）引入纳米限域效应（nanoconfinement effect）增强链动力学并抑制较大晶体的生长以增加高分子链延展性；（3）利用应力控制设计优化材料几何结构。在这些策略中，通常都需要旋涂法实现高分子薄膜的沉积，这往往会导致无序、各向同性的形貌产生，从而限制电荷的有效传输。

针对于以上提到的问题，鲍哲南团队报道了一种在可拉伸半导体材料里多尺度有序规整排列共轭高分子的方法。题为《Multi-scale ordering in highly stretchable polymer semiconductingfilms》发表在了最新的《Nature Materials》上。Jie Xu和Hung-Chin Wu是文章的共同第一作者。他们通过从单高分子链构象到宏观尺度的多尺度有序排列，大幅提升了共轭高分子薄膜里的电荷传输效率。

鲍哲南团队创新性地运用带花纹的微沟道涂层刀片溶液剪切（solution-shearing），大尺度沿电荷运输方向排列共轭高分子的纳米结构。在结合过程中，纳米尺度的空间约束重新排列链构象并且促进短程π-π键排序，从而大幅降低电荷载流子传输的能量势垒。此方法的优点在于，可以实现同时在分子尺度、中间尺度和宏观尺度调控材料的结构，从而大幅改善其电学性能并且增强高分子链的机械拉伸强度。

图示：结合图案化刀片溶液剪切法（patterned-blade solution-shearing method）和纳米约束效应（nanoconfinement effect），实现了可拉伸半导体共轭高分子的多尺度有序排列。

该方法已应用于制备五种不同的共轭高分子的可拉伸半导体薄膜，与自旋涂覆薄膜相比，它们的载流子迁移率均有较大提高，提高幅度高达六倍。制造的可拉伸晶体管的平均初始迁移率为1.5 cm2 V s -1，当拉伸至100%应变时迁移率没有变化。利用该技术，鲍哲南团队通过卷对卷工艺实现了米级尺寸薄膜涂层的制备，为大面积生产可拉伸半导体薄膜奠定了基础。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0340-5#Sec3