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小型可穿戴或植入式電子設備可以幫助監(jiān)測人們的健康狀況，診斷疾病，并為自主治療提供機會。但是，為了在不加重或損壞周圍細胞的情況下做到這一點，這些電子設備不僅需要在移動時與我們的組織一起彎曲和拉伸，而且還需要足夠柔軟，以免劃傷和損壞組織。但是目前的技術只能在非晶硅水平上達到電氣性能，集成規(guī)模有限，功能受限。下載化學加APP到你手機，收獲更多商業(yè)合作機會。

在這里，作者提出了一種新的皮膚集成電路設計和制造工藝，這種集成電路比早期版本小五倍，運行速度高一千倍。作者證明，他們的軟集成電路現在能夠驅動micro-LED屏幕，并檢測比人類指尖更靈敏的盲文陣列。他們還利用了溶劑、碳納米管、聚合物和光刻膠等特定材料，并在研究中對這些材料進行了表征。制作過程包括旋涂犧牲層、固化可拉伸基底、為晶體管和傳感器的各種材料繪制圖案，以及將制作好的器件轉移到基底上。

（圖片來源：Nature）

開發(fā)先進的類膚電子器件核心是半導體碳納米管和軟彈性電子材料。雖然最近的材料創(chuàng)新提高了器件密度，但可拉伸器件的電氣性能仍低于柔性薄膜器件。在實現高空間分辨率和電氣性能以及大規(guī)模電路集成和高速運行方面仍然存在挑戰(zhàn)。作者提出了一種解決方案，即結合材料、制造工藝、器件工程和電路設計等方面的創(chuàng)新，實現具有高電氣驅動能力的本征可拉伸電子器件和具有高晶體管密度的大規(guī)模電路集成。圖1展示了本征可拉伸的高性能類膚電子元件的關鍵部分和性能結果。

（圖片來源：Nature）

作者團隊利用半導體碳納米管和其他材料開發(fā)出了一種高性能、可拉伸的晶體管器件。該器件具有高良品率、高電荷載流子遷移率、高晶體管密度和高歸一化跨導。圖2a-d展示的就是本征可拉伸電子器件的光刻制造過程。作者討論了在不增加器件面積或功耗的情況下實現晶體管高驅動電流的要求。這需要高流動性半導體、低 S/D 接觸電阻、高柵極介電電容和低缺陷狀態(tài)。研究發(fā)現，使用帶有金屬界面層的 CNT 網絡電極可獲得與金屬類似的接觸電阻值。開發(fā)了一種金屬輔助掀離工藝，用于將 M-CNT 接觸電極圖案化，由于金屬層輔助掀離工藝產生的銳利邊緣，該工藝可實現約 0.9 μm 的小 L_ch。

作者的研究成果實現了超過 100 個邏輯門的大規(guī)模集成，傳感密度達到創(chuàng)紀錄的每平方厘米 2,500 個單元，從而開發(fā)出了高通量盲文識別概念。該晶體管陣列還能以 60 Hz 的快速刷新率驅動發(fā)光二極管陣列，并具有出色的機械堅固性。

（圖片來源：Nature）

作者為了制備本征可拉伸的晶體管，使用底部柵極結構和拓撲超分子交聯劑交聯 PEDOT:PSS。紫外交聯 PEDOT:PSS/PR薄膜可以圖案化，使柵極長度小至 0.8 μm。作者引入 EGaIn作為全局互連，可將片電阻降低到約 0.2 Ω sq^-1，并將圖案化為約2 μm寬。

作者還開發(fā)一種使用高κ彈性體丁腈橡膠直接光刻的工藝，該工藝可提供高柵介電容，用于安全高效的皮膚應用。該工藝使用硫醇-烯反應與 PETMP作為交聯劑，并使用一薄層低κ SEBS 彈性體來鈍化極性 NBR表面。即使在 100 kHz的頻率下，該介質的等效 κ也高達 10以上，這對于高頻操作非常重要。

利用交聯 SEBS薄膜作為基底，作者開發(fā)出了本征可拉伸晶體管陣列。晶體管陣列由 10082個晶體管組成，器件良率高達 99.37%。晶體管在 I_max、電流通斷比和閾值電壓方面表現出良好的一致性。由于在各層中合理設計了溶劑電阻，晶體管的電氣性能在所有加工過程中都得以保持。

最終作者成功地將單個晶體管面積縮小到約 288 μm²，W_ch/L_ch為 12 μm/2 μm，并將晶體管堆積密度提高到每平方厘米 200000個晶體管，比之前報道的本征可拉伸晶體管高出近五倍，同時在相同 L_ch條件下，場效應遷移率提高了 200多倍。

（圖片來源：Nature）

作者介紹了最小的本征可拉伸偽 E和偽 D逆變器的制造過程，這種逆變器具有良好的機械堅固性，可在低電壓下工作。為了提高集成密度和規(guī)模，需要盡量減小互連電阻。作者還介紹了密度為每平方厘米 100000個晶體管的晶體管矩陣的制造過程，以及由 1056個晶體管和 528個零 V_gs負載逆變器組成的 527級環(huán)形振蕩器，這是首個大規(guī)模本征可拉伸集成電路。作者使用厚的低κ SBS 電介質來降低寄生電容，并觀察到使用 M-CNT 作為中間層可將接觸電阻降低 85%。三級環(huán)形振蕩器的最大 f_O 為 190 kHz，每級傳播延遲為 0.88 μs，比之前報道的本征可拉伸電路快三個數量級（圖 4i）。這些電路還表現出卓越的機械穩(wěn)健性，在拉伸測試中沒有形成裂縫。

（圖片來源：Nature）

作者利用可拉伸晶體管陣列開發(fā)出了高分辨率盲文傳感陣列和 LED 矩陣顯示器。有源矩陣傳感器陣列可以貼在人的手指上，并能識別形狀、方向、位置和大小，其感應密度超過了人的指尖機械感受器密度。晶體管陣列還能驅動一個 LED 顯示系統，該系統具有驅動 LED 的通斷比和導通電流。該系統成功地顯示了不同的數字、字母和符號，刷新率高于 60 Hz，即使在大變形的情況下也是如此。