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小型可穿戴或植入式電子設(shè)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(jī)會(huì)。但是，為了在不加重或損壞周圍細(xì)胞的情況下做到這一點(diǎn)，這些電子設(shè)備不僅需要在移動(dòng)時(shí)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(shù)只能在非晶硅水平上達(dá)到電氣性能，集成規(guī)模有限，功能受限。下載化學(xué)加APP到你手機(jī)，收獲更多商業(yè)合作機(jī)會(huì)。

在這里，作者提出了一種新的皮膚集成電路設(shè)計(jì)和制造工藝，這種集成電路比早期版本小五倍，運(yùn)行速度高一千倍。作者證明，他們的軟集成電路現(xiàn)在能夠驅(qū)動(dòng)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(duì)這些材料進(jìn)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(zhuǎn)移到基底上。

（圖片來源：Nature）

開發(fā)先進(jìn)的類膚電子器件核心是半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)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(yùn)行方面仍然存在挑戰(zhàn)。作者提出了一種解決方案，即結(jié)合材料、制造工藝、器件工程和電路設(shè)計(jì)等方面的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)具有高電氣驅(qū)動(dòng)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(guān)鍵部分和性能結(jié)果。

（圖片來源：Nature）

作者團(tuán)隊(duì)利用半導(dǎo)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(dǎo)。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(shí)現(xiàn)晶體管高驅(qū)動(dòng)電流的要求。這需要高流動(dòng)性半導(dǎo)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(xiàn)，使用帶有金屬界面層的 CNT 網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生的銳利邊緣，該工藝可實(shí)現(xiàn)約 0.9 μm 的小 L_ch。

作者的研究成果實(shí)現(xiàn)了超過 100 個(gè)邏輯門的大規(guī)模集成，傳感密度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的每平方厘米 2,500 個(gè)單元，從而開發(fā)出了高通量盲文識(shí)別概念。該晶體管陣列還能以 60 Hz 的快速刷新率驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管陣列，并具有出色的機(jī)械堅(jiān)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(jié)構(gòu)和拓?fù)涑肿咏宦?lián)劑交聯(lián) PEDOT:PSS。紫外交聯(lián) 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(yīng)用。該工藝使用硫醇-烯反應(yīng)與 PETMP作為交聯(lián)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(zhì)的等效 κ也高達(dá) 10以上，這對(duì)于高頻操作非常重要。

利用交聯(lián) 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(gè)晶體管組成，器件良率高達(dá) 99.37%。晶體管在 I_max、電流通斷比和閾值電壓方面表現(xiàn)出良好的一致性。由于在各層中合理設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)晶體管，比之前報(bào)道的本征可拉伸晶體管高出近五倍，同時(shí)在相同 L_ch條件下，場效應(yīng)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(jī)械堅(jiān)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(gè)晶體管的晶體管矩陣的制造過程，以及由 1056個(gè)晶體管和 528個(gè)零 V_gs負(fù)載逆變器組成的 527級(jí)環(huán)形振蕩器，這是首個(gè)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(zhì)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(jí)環(huán)形振蕩器的最大 f_O 為 190 kHz，每級(jí)傳播延遲為 0.88 μs，比之前報(bào)道的本征可拉伸電路快三個(gè)數(shù)量級(jí)（圖 4i）。這些電路還表現(xiàn)出卓越的機(jī)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(shí)別形狀、方向、位置和大小，其感應(yīng)密度超過了人的指尖機(jī)械感受器密度。晶體管陣列還能驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED 顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有驅(qū)動(dòng) LED 的通斷比和導(dǎo)通電流。該系統(tǒng)成功地顯示了不同的數(shù)字、字母和符號(hào)，刷新率高于 60 Hz，即使在大變形的情況下也是如此。