鲍哲南，Nature Electronics！

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

本征可拉伸电子设备由于能与人体无缝集成，在可穿戴健康监测、植入式生物医疗器件及软体机器人等领域备受关注。尽管可拉伸聚合物材料已在提高电路良率和复杂性方面取得进展，但目前的本征可拉伸电路多采用单极性p型晶体管。互补电路（由n型和p型晶体管共同组成）具有运行速度快、静态功耗低和抗噪声能力强等显著优势，因此，开发高性能、可扩展加工的互补电路是推动柔性电子学发展的关键一步。

关键问题

目前，互补电路的开发主要存在以下问题：

1、高性能可拉伸n型半导体的匮乏

目前报道的可拉伸n型聚合物迁移率普遍低于0.3 cm² V^-1 s^-1，远逊于其p型对应物（>1 cm² V^-1 s^-1），且复杂的分子改性往往难以兼顾可加工性与耐溶剂性。

2、层层加工中的电学性能退化

在全溶液法制造多层电路时，后续层的溶剂处理和光刻步骤极易破坏已沉积的半导体层，导致漏电流增加或性能失效，严重阻碍了高密度互补电路的集成。

新思路

有鉴于此，美国斯坦福大学鲍哲南等人报道了基于直接光刻聚合物半导体的全溶液加工本征可拉伸有机互补电路。通过将高性能n型聚合物半导体共价嵌入弹性体基质中，制造了在100%应变下电子迁移率为0.28 cm² V^-1 s^-1的全可拉伸晶体管。此外，通过在p型聚合物半导体层上采用共价官能化策略，证明了n型聚合物半导体的连续直接光刻，而不会对现有的p型半导体产生电学降解。利用这种方法制造了本征可拉伸的逻辑门和环形振荡器，在2 V的低工作电压下，在高达100%的应变下具有稳定的性能。

技术方案：

1、开发了一种二组分复合薄膜

本文开发了二组分复合薄膜，半导体自发形成纳米纤维网络，1:1混合比例电子迁移率0.73 cm² V^-1 s^-1，BA基质未破坏长程堆积秩序，确保高效电荷传输。

2、研究了可拉伸n型晶体管的力学性能与应变响应

1:1混合膜100%应变无裂纹，聚合物链线性取向排列，全可拉伸晶体管阵列100%应变下迁移率略提升，1000次循环后电学鲁棒性优异。

3、实现了图案化半导体层

研究人员采用直接光刻技术图案化半导体层，开发了氟化官能化策略填充薄膜空隙，有效屏蔽溶剂侵蚀，维持电学完整性，实现了全溶液法制造高密度互补电路。

4、成功制造了一系列本征可拉伸互补逻辑电路

研究团队成功制造了本征可拉伸互补逻辑电路，反相器2V超低电压运行，100%应变下增益保持10以上，集成NAND、NOR逻辑门和三级环形振荡器，证明了全溶液加工平台应用潜力。

技术优势：

1、开发了共价嵌入式n型受体体系

通过将n型聚合物F4BDOPV-2T共价交联于弹性体基质中，利用纳米相分离形成的纤维网络，在保持高迁移率的同时实现了100%的机械伸展性及优异的耐溶剂性。

2、提出了氟化保护策略实现多层集成

通过引入共价氟化官能化策略保护已图案化的p型层，成功解决了全溶液加工过程中层与层之间的电学干扰问题，首次演示了低压运行的全光刻可拉伸互补逻辑电路。

技术细节

n型半导体材料设计与形态电学表征

研究团队开发了一种二组分复合薄膜，将高性能n型聚合物F4BDOPV-2T共价嵌入到绝缘弹性体基质（BA）中。F4BDOPV-2T具有高达1 cm² V^-1 s^-1的电子迁移率和良好的环境稳定性。通过原子力显微镜（AFM）观察发现，由于纳米尺度相分离，半导体在基质中自发形成了相互连接的纳米纤维网络。机械力学图谱显示，纤维区域模量较高，而周围是非纤维状的软弹性BA区域，这种结构有利于在拉伸时通过弹性基质的构象变化来耗散能量，从而抑制裂纹产生。实验表明，1:1的混合比例在保持迁移率方面表现最佳，其电子迁移率可达0.73 cm² V^-1 s^-1（约为纯膜的84%），且在空气中的稳定性显著提升。此外，GIXD表征确认，BA基质并未破坏半导体的长程堆积秩序，其π–π堆积距离与纯膜基本一致，确保了高效的电荷传输通道。

图  内部可伸展互补电路

图  n型半导体薄膜的形貌和电学特性

可拉伸n型晶体管的力学性能与应变响应

研究重点对比了1:1混合膜与纯膜在应变下的表现。实验发现，纯F4BDOPV-2T薄膜在25%应变时即出现明显裂纹，而1:1混合膜在100%应变下依然保持连续且无肉眼可见裂纹。二向色性测试进一步揭示，混合膜中的聚合物链随应变线性取向排列，这种应变诱导的排列有效缓解了机械应力并有助于电荷传输。基于此，团队制造了全可拉伸晶体管阵列，采用CNT作为电极和SEBS作为电介质。该器件在100%平行应变下，迁移率不仅没有下降，反而因链排列优化略有提升，稳定维持在约0.28 cm² V^-1 s^-1。在经历1,000次50%应变循环测试后，该n型晶体管仍展现出优异的电学鲁棒性，证明了共价交联网络在构建稳定皮肤电子器件中的核心作用。

图  完全可伸展的n型半导体薄膜和晶体管

直接光刻工艺与互补电路的层层集成挑战

实现复杂互补电路的关键在于能够顺序图案化不同的半导体层而不产生干扰。研究采用了直接光刻技术，利用紫外光触发叠氮基团与聚合物侧链发生共价交联，从而赋予图案化薄膜极高的化学抗性。图案化后的n型薄膜电子迁移率保持在0.69 cm² V^-1 s^-1，且结晶度未受影响。然而，在集成互补电路时，后续n型层的加工会导致先图案化的p型晶体管漏电流增加两个数量级。为此，作者开发了氟化官能化策略：在p型层图案化后，通过共价结合全氟烷硫醇分子填充薄膜中的空隙，有效屏蔽了后续溶剂的侵蚀及材料残留。这一“分子级保护”策略成功维持了p型层的电学完整性，使得全溶液法制造高密度、全光刻互补电路成为可能，显著提升了器件的集成水平。

图  直接光图案化的n型半导体膜和本征可拉伸的互补反相器

可拉伸互补逻辑门与系统级应用演示

利用上述突破性材料和工艺，研究团队成功制造了一系列本征可拉伸互补逻辑电路。首先，制备了互补反相器（NOT门），其不仅比单极性设计减少了一半的占地面积，且能在2 V的超低电压下运行，在100%应变下增益仍保持在10以上，远超此前报道的同类器件。随后，进一步集成了更为复杂的NAND（与非门）和NOR（或非门）逻辑门，这些通用逻辑单元在多轴100%应变下均能提供清晰、准确的数字逻辑输出。最后，作者演示了一个三级环形振荡器，由八个晶体管组成，能够在100%应变下稳定振荡，尽管由于迁移率轻微波动导致频率稍有减慢。这些成果证明了该全溶液加工平台在构建低功耗、高机械性能的复杂数字电路系统方面的巨大应用潜力。

图  内部可伸缩互补与非门、或非门和环形振荡器

展望

本研究通过共价嵌入和氟化保护的创新思路，攻克了可拉伸n型半导体性能不足及多层加工退化的行业顽疾。首次实现了全溶液加工、全直接光刻的本征可拉伸互补电路，不仅迁移率高且能在2 V低压及100%应变下稳定工作。这一技术路径显著提升了皮肤电子设备的复杂度和功能性，为未来开发具备生物兼容性、多功能集成的高性能柔性系统提供了重要的材料与工艺框架。

参考文献：

Liu, Q., Zheng, Y., Wu, H. et al. Intrinsically stretchable complementary circuits based on direct photo-patternable polymer semiconductors. Nat Electron (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41928-026-01599-z