2025-03-07 16:22 北京
电子设备与生物组织的无缝集成一直是生物电子学领域的一项重大挑战。传统的电子元件通常刚性且易碎，而生物组织则柔软且富有弹性。
电子设备与生物组织的无缝集成一直是生物电子学领域的一项重大挑战。传统的电子元件通常刚性且易碎，而生物组织则柔软且富有弹性。这种基本的不匹配，严重限制了开发能够适应生物系统动态特性的先进医疗设备的可能性。
（来源：张世明）
有机电化学晶体管（OECTs，Organic Electrochemical Transistor）因其能够同时传导离子和电子，并将离子信号放大的特性，成为连接电子设备与生物系统的潜在解决方案。这种器件使用的主要材料是有机混合半导体导电材料（OMIEC，Organic Mixed Ion-Electronic Conductors），例如 PEDOT：PSS。然而，OMIEC 在形成薄膜后变得脆弱，其拉伸性能极其有限。这种材料性能的局限性，限制了 OECTs 在需要随身体动态运动的医疗设备中的实际应用。
传统的 OECTs 采用的是平面式横向设计，电流通过一层薄膜导电材料流动，类似于水在平坦表面上流动。当薄膜被拉伸时，容易形成裂纹，类似结冰的池塘表面破裂，从而完全阻断电流流动。
而香港大学张世明教授和团队开发了一种全新的垂直结构设计，将器件组件堆叠起来，形成多个平行路径，使电流能够通过器件厚度流动。这种三维设计使得即使材料产生裂纹，电流仍然可以通过其他路径流动，就像水仍然能够通过裂缝渗透海绵一样。
图 | 张世明（来源：张世明）
为了实现这种垂直设计，研究人员开发了一种特殊的电极制造技术。研究人员将一层金沉积在一种特别的弹性聚合物上，并通过加热使金原子迁移到聚合物结构中，从而形成一种混合材料。这种材料即使在拉伸时也能保持导电性，可满足垂直器件对电极的苛刻需求。
审稿人对该研究提出的架构创新给予了高度肯定，认为其突破了传统设计的局限。审稿人评价称：“之前在开发可拉伸 OECTs 的尝试中，取得的结果参差不齐。一些方法尝试使用预拉伸的基底或图案化的金属互连结构，另一些则尝试了基于微裂纹的半导体材料。这些方法虽然有一定的潜力，但往往在电性能上妥协，或在拉伸性能上仅取得有限的改进。这个领域需要一种根本性的重新设计来克服这些限制。作者提出了一种全新的方法，从根本上重新构想了这些晶体管的构造。他们没有简单地试图让材料本身更具拉伸性，而是完全重新设计了晶体管的架构，创造了他们称之为‘垂直本征可拉伸有机电化学晶体管'的概念”。
这一垂直架构在可拉伸电子学领域代表了一项根本性的进步，展现了如何通过创新设计克服长期困扰该领域的材料限制。相比以往为实现柔性而牺牲性能的解决方案，这种垂直设计同时提升了电性能和拉伸性能。这一研究成果的潜在应用不仅局限于医疗设备，还可能影响下一代可穿戴计算设备、智能纺织品和人机界面的发展。随着制造难题的逐步解决，这种垂直架构有望成为一种基础技术，用于开发能够与人体无缝集成的电子设备，开启医疗监测、智能增强等领域的新可能性。
据介绍，这项研究受到美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士、美国加州大学伯克利分校杰出讲座教授胡正明提出的鳍式场效应晶体管概念的启发，研究人员将三维晶体管的理念应用于可拉伸生物晶体管领域，通过垂直结构设计解决了传统半导体材料拉伸性不足的问题。尽管这一概念看起来简单且有效，但对材料的要求极高。例如，电极需要具有弹性，否则在拉伸过程中会失效。同时，电极还需要具备粘附性，否则在拉伸时可能脱落，导致器件损坏。
项目于 2022 年初正式确定课题方向。经过大约两年的工艺探索、材料优化和器件测试，研究团队于 2023 年底将初步成果提交至 MRS 2023 秋季会议进行展示[1]。然而，为了进一步优化器件的稳定性，研究人员又投入了整整一年的时间完善材料体系和工艺流程，最终实现了所有功能层材料的弹性粘附性（elastoadhesive），显著提升了器件性能及可靠性。这一过程从课题确定到研究成功，历时接近三年，经历了大量挑战与迭代。
课题初期，由于经验不足，加上课题组刚刚成立，资源有限，研究进展较慢，甚至一度陷入瓶颈。后来，团队逐渐壮大，不同跨学科背景的学生陆续加盟，并且实验室建设也逐渐步入正轨，为项目注入了新的活力。正是在这一阶段，研究进展显著加速，团队终于突破了关键技术难关。
此外，早期实验中，研究人员原来打算利用另外一种常用的垂直器件策略，类似楼梯台阶结构，却发现器件经常在测试中短路。后来彻底改变思路，探索并确定了利用粘弹性电极做”三明治结构”的方案, 效果大幅提升。这一“失败中的成功”成为后续工艺优化的关键灵感。
这项工作重新定义了可拉伸 OECT 的结构，通过垂直架构突破了半导体材料的拉伸性限制。这一理念具有高度的普适性，可以拓展到其他类型的电子器件。团队目前正在进行集成化研究，尝试开发功能性器件，目标是展示这一架构在实际应用中的潜力，同时解决医疗电子、生物集成 AI 等跨学科领域的技术难题。未来的研究方向还包括探索新的材料组合，进一步提升器件性能，以及开发更多功能层，从而实现软硬件的一体化设计，为下一代柔性电子设备提供技术支撑。
参考资料：
运营/排版：何晨龙
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