全弹性电子设备和集成系统可用于创建人机界面、人造皮肤、智能医疗系统和可植入生物医学设备。这种技术需要弹性半导体，器件通常只使用弹性p型半导体。然而，互补电子、光电子和p-n结型器件(如二极管、光电探测器和太阳能电池)也需要弹性n型半导体。拉伸n型半导体的发展受到现有n型有机半导体固有材料特性的限制，其中包括稳定性差和电荷传输效率比p型半导体低，这是由于氧和湿气的电荷俘获。此外，n型有机半导体通常是刚性的，很少有赋予它们机械拉伸性的策略。

鉴于此，宾夕法尼亚州立大学/休斯敦大学余存江等人报道了一种基于弹性体-半导体-弹性体（ESE）堆叠结构的可拉伸n型有机半导体，可以使脆性n型有机半导体具有机械拉伸性。成果发表在Nature Electronics上。

值得注意的是，一年不到的时间，该课题组已经在Nature Electronics上发表了3篇研究论文。上一年11月份，余存江等人开发了一种新型的基于横向相分离诱导的微网格橡胶状半导体薄膜。

上一年9月份，余存江教授率领其团队研究开发了一种利用可拉伸双层半导体构建的可重构突触晶体管。这种可拉伸突触晶体管可以在机械应变下表现出抑制和兴奋特性，并允许突触功能的切换。

研究人员将聚[（N，N′-双（2-辛基十二烷基）-萘-1,4,5,8-双（二羧酰亚胺）-2,6-二基）-alt-5,5′-（2,2′-二噻吩）]（P（NDI2OD-T2）或N2200）用作n型半导体层，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚氨酯（PU）的弹性体膜用于任一侧，分别用作衬底和栅极电介质。堆叠结构提高了机械拉伸性，并抑制了本质脆性N2200半导体中微裂纹的形成和传播，如拉伸应力测试、不同应变下的电荷传输测量和稳定性测试所示。该结构抑制了微裂纹的形成和扩展，并且可以在沿着和垂直于沟道长度方向的50%的拉伸应变下保持高的器件性能。

图|可拉伸n型ESE堆叠

图|可拉伸n型有机晶体管阵列

研究人员使用n型半导体堆叠来制造伸缩晶体管、光电子和集成电子器件，包括数字逻辑门（NAND和NOR）、伪互补反相器、光电探测器和集成曲率可调成像器。除此之外，由于弹性体电介质在半导体和周围环境之间形成物理屏障，器件在周围环境中也能长期稳定工作100天以上。

图|曲率可调成像仪

综上所述，本文报道了由PDMS、n型有机半导体N2200和PU组成的可拉伸ESE堆叠结构。该结构减少了在机械变形下脆性N2200膜内裂纹的形成和扩展，并增强了其在周围环境中的长期稳定性。这种策略也可以应用于包括非有机物在内的其他类别的脆性材料。n型堆叠用于创建可拉伸晶体管、光电子器件和逻辑门，其表现出高达50%应变的稳健操作。与它们的刚性对应物相比，可拉伸的n型ESE堆叠有可能用于制造完全可拉伸格式的集成电子产品，而无需使用专用架构来实现结构可拉伸性。用该ESE堆叠方法制造的弹性n型半导体可用于生物电子学、可穿戴设备、软机器人和大规模集成电路的开发。

参考文献：

Shim, H., Sim, K., Wang, B. et al. Elastic integrated electronics based on a stretchable n-type elastomer–semiconductor–elastomer stack. Nat Electron (2023).

https://doi.org/10.1038/s41928-023-00966-4