新晶体管技术（鲍哲南最新nature聚合物二极管）

新晶体管技术（鲍哲南最新nature聚合物二极管）为了演示二极管的操作可行性，研究人员将其与可拉伸天线、应变传感器和电致变色显示器 (ECD) 像素集成，实现了一种皮肤无线可拉伸系统(即可拉伸无线标签)。当标签由柔性的电源电路无线供电时，ECD 像素可以将来自应变传感器的信号可视化。今日，美国斯坦福大学鲍哲南院士团队通过合理的材料和制造工艺的设计，开发了一种可高频操作、本质上可拉伸的聚合物二极管，能够在 50% 应变下对高频信号 (13.56 MHz) 进行整流。该二极管具有良好的机械耐久性和优异的电气性能，在2V电压下实现超过0.2 A cm-2的电流密度。为了解决这个问题，需要一种二极管，其工作频率与商业上允许的基本载波频率(射频识别中的 6.78 MHz 和 13.56 MHz)相当 。该二极管需要对兆赫兹交流电载波信号进行整流，形成用于其他慢器件(包括传感器、显示器或电路)运行所需的直流电压。由于对器件结构、材料和制造工艺的严格要

1、研究背景

近年来，随着皮肤电子学领域的不断发展，可拉伸/可穿戴仿生柔性电子器件逐渐走进人们的生活，在健康护理、运动生理监测等方面展现出了巨大的应用潜力，因此受到了广泛关注。尤其是柔软可拉伸材料的出现，其制成的柔软可拉伸皮肤电子设备可与人体和器官保持亲密和不易察觉的接触，有望在不干扰我们日常活动的情况下，实现对高保真生物信号的长期监测，并促进未来精确健康的远程监测。

目前已经提出了几种实现软电子器件的方法，包括本质上可拉伸材料、刚性柔性材料的结构工程，如褶皱结构或微裂纹。具体而言，本质上可拉伸的材料可显著增加所产生器件的机械坚固性。本质上可拉伸的导体/半导体方面的最新发展，使得兼容和坚固的可穿戴传感器和电路的原型。

但是，它们的最高工作频率仅为 100 Hz，远低于普通电子设备的频率(兆赫到千兆赫)，这极大地限制了它们在无线通信和远程监测中的使用。

为了解决这个问题，需要一种二极管，其工作频率与商业上允许的基本载波频率(射频识别中的 6.78 MHz 和 13.56 MHz)相当 。该二极管需要对兆赫兹交流电载波信号进行整流，形成用于其他慢器件(包括传感器、显示器或电路)运行所需的直流电压。

由于对器件结构、材料和制造工艺的严格要求，对柔性和刚性的有机电子器件来说，实现高频操作仍然是一项不小的挑战。因为，材料必须同时满足导电性、延展性、功函数（WF）和加工兼容性的要求，使得识别合适的材料组合以实现高频操作尤其具有挑战性。再加上可拉伸电子材料的选择有限，使得实现高频操作更加困难。

2、研究成果

今日，美国斯坦福大学鲍哲南院士团队通过合理的材料和制造工艺的设计，开发了一种可高频操作、本质上可拉伸的聚合物二极管，能够在 50% 应变下对高频信号 (13.56 MHz) 进行整流。该二极管具有良好的机械耐久性和优异的电气性能，在2V电压下实现超过0.2 A cm-2的电流密度。

为了演示二极管的操作可行性，研究人员将其与可拉伸天线、应变传感器和电致变色显示器 (ECD) 像素集成，实现了一种皮肤无线可拉伸系统(即可拉伸无线标签)。当标签由柔性的电源电路无线供电时，ECD 像素可以将来自应变传感器的信号可视化。

该工作将有助于实现未来用于预防医学和远程医疗的无线、高速和类皮肤的个人医疗保健系统。相关研究工作以“High-frequency and intrinsically stretchable polymer diodes”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

3、图文速递

图1. 一种高频可伸缩二极管

(a) 二极管的展开示意图。(b) 、(c) 分别为无应变（b）和有应变（c）的二极管图片。(d) 用于可拉伸高频二极管的可拉伸电子材料的化学结构。(e) 、(f) 分别为本研究中材料的设定应变裂纹（e）和能级图（f）；w/表示with，w/o表示without；灰色阴影区表示拉伸性要求。(g) 含有不同离子添加剂的PEDOT:PSS基阳极组成的二极管正向电流和反向电流。(h) 二极管的J–V曲线图，表明添加剂在PEDOT:PSS基阴极中的作用；g、h中二极管以ITO/玻璃衬底，具有Au顶部触点。

图2. 基于 AgNW 的可拉伸二极管的性能表征

(a)AgNWs的杨氏模量和韧性。(b)AgNWs的电阻-应变特性。(c)50%应变下，不同弹性体AgNWs的光学显微镜图像；只有T-TPU未显示微裂纹形成；红箭头表示微裂纹的位置。(d)不同弹性体AgNWs组成的可伸缩二极管的正向和反向电流；只有T-TPU在50%应变后未显示短路。(e)集电层二极管的J–V曲线；与ITO和Au二极管相比，AgNWs:T-TPU二极管显示出更高的正向电流。(f)AgNWs:T-TPU可伸缩二极管的正向和反向电流，显示其对循环应变（20%应变 103个循环）的高耐久性。

图3. 可伸缩二极管的高频操作

(a)不同应变下，可拉伸二极管的V/F压频比控制；插图表示半波整流器电路。(b)不同应变、输入信号为6.78-MHz和13.56-MHz条件下，半波整流器电路的无纹波输出（V out）。

图4. 无线可伸缩传感器和显示系统

(a)系统中标签的图片；该系统由可拉伸二极管、基于可拉伸固体电解质的ECD、基于单壁碳纳米管（SWCNT）的应变传感器和（O-GaIn)天线组成。(b)整个系统的图片；标签贴在皮肤上，柔性电源电路贴在纺织品上；插图显示系统的等效电路。(c)可拉伸ECD的示意图。(d)可拉伸ECD在不同应变和电压下的操作；超过0.5 V，在任何压力下，都能观察到明显的颜色变化。(e)通过可伸缩二极管从HF电路无线施加到ECD的直流电压；电压由与ECD并联的传感器电阻控制；插图显示系统电路。(f)系统运行；外部应变引起应变传感器的电阻变化，并增加施加到ECD的电压；10%的应变启动了ECD。

4、结论与展望

在这项研究中，研究团队通过材料和制造工艺设计以及可拉伸半导体、阳极、阴极和集电器的开发，成功地制造了高频、本质上可拉伸的二极管。同时实现了良好的延展性和电气性能，这对高频二极管的运行和其他类型器件的开发至关重要，包括可伸缩发光器件、光伏和晶体管。此外，研究团队还实现了一种皮肤无线可伸缩系统，通过显示像素来将传感器信号可视化。该项研究成果对预防医学和远程医疗有重大意义，将有助于实现未来的无线、高速、类皮肤个人医疗保健系统。

5、文献

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04053-6

文献原文：

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