人工智能、物联网、智能医疗等新兴技术的快速发展，使得人们对电子器件的轻薄性、柔韧性、可穿戴性等提出了更高要求，传统的刚性电子器件通常采用刚性基底，在便携性、舒适性和可穿戴性等方面存在一定的局限性，而本征柔性/可拉伸聚合物半导体以其近乎皮肤的超柔韧性、曲面适应性、可承受用户活动可能发生的高强度机械应力应变的延展性等优势得到人们的广泛关注。接下来，小编将为您详细介绍可拉伸聚合物半导体。

可拉伸聚合物半导体的发展趋势及应用领域（图源：文献1）

什么是本征柔性/可拉伸聚合物半导体？

在深入探讨之前，我们首先需要厘清“本征柔性/可拉伸”这一核心概念。本征柔性/可拉伸是指材料不需要依赖外部的支撑结构来实现拉伸性能，这种可拉伸性源于材料内部的分子链柔性、链间相互作用以及分子堆积方式等内在因素的协同作用。相对于无机半导体，有机半导体材料具有良好的溶液加工性和优异的电荷传输性能，为其在可拉伸器件中的应用提供了良好基础。然而，共轭聚合物的骨架主要由芳香环组成，具有一定的刚性，这导致聚合物半导体在应变后容易产生裂纹。因此，制备高性能的本征可拉伸聚合物半导体的目标非常明确：在保持高效电荷传输能力的同时，赋予材料优异的机械延展性。这意味着材料即使在发生显著形变时，其电学性能也不会急剧衰减。那我们该如何构建可拉伸的聚合物半导体呢？

提高聚合物半导体拉伸性能的策略

目前，构建可拉伸的聚合物半导体主要从分子工程和材料复合两个维度出发。

1、主链工程

主链工程是指通过调控聚合物主链的化学结构与构象，平衡电荷传输路径完整性与分子链柔性的策略。其核心在于引入柔性单元或动态相互作用，降低主链刚性，同时维持π-π共轭骨架的连续性。通常在保持结晶域之间连接的同时，促进更高比例的非晶区域的形成，以实现更高的可拉伸性和良好的电荷传输。常见方法包括：

（1）引入共轭阻断单元：在刚性共轭链段中周期性嵌入柔性的非共轭片段，使聚合物主链的刚性降低，链段获得更大的自由度和柔性。同时，还能在一定程度上维持π-π共轭骨架的连续性，在提高拉伸性能的同时，尽量减少对电荷传输性能的不利影响，

（2）“预端封”策略：封端试剂的加入会随机终止聚合物主链的生长，扰乱聚合物的规整性，抑制大结晶域的形成，促进小结晶域的产生。这种结构变化有助于提高材料的拉伸性能，因为小结晶域在拉伸过程中能够更好地适应形变，同时减少对电荷传输的不利影响。

（3）动态氢键网络设计：在聚合物主链中引入动态键作为非共价交联位点，即当材料受到应变作用时，粘结的动态键会断裂并耗散应变，在应变释放后，动态键仍然可以重新结合，从而大大提高断裂韧性。

（4）三元共聚策略：利用两种类型的共聚单体，以不同组成比例合成可拉伸三元聚合物的半导体，即使在应变下，材料微结构也大多保持不变，有助于提高可拉伸半导体的稳定性。

（5）分子水平的几何设计：几何设计策略的原理在于通过改变聚合物主链的几何形状，影响聚合物链的构象、分子间相互作用和聚集行为，从而实现拉伸性能和电学性能的优化。

三元共聚策略不同行为背后的拟议机制（图源：文献2）

2、侧链工程

在分子结构设计中，改变侧链的长度会影响聚合物的分子间相互作用和聚集态结构。侧链不仅能够增加分子间的空间位阻，还能有效降低聚合物链之间的紧密堆积程度，从而提升聚合物拉伸性能。

（1）侧链长度调控：在分子结构设计中，通过改变侧链的长度会影响聚合物的分子间相互作用和聚集态结构。侧链增加了分子间的空间位阻，降低了聚合物链之间的紧密堆积程度，从而提高了聚合物拉伸性能。

（2）氢键功能化侧链：分子中含氢键位点的侧链不仅可以使聚合物实现微尺度结晶，从而使载流子迁移率大幅提高，而且处理过的侧链对分子间的相互作用、链的填充结构以及薄膜的形态、聚合物薄膜的韧性和强度都有重要的影响。

（3）双轴延伸共轭侧链：双轴延伸共轭侧链是在共轭侧链交叉的同时，平面主链提供足够的链间连通性，实现间歇性的链间跳变，因此双轴延伸侧链设计为实现π共轭聚合物的高固有拉伸性开辟了一条创新途径。

代表性的通过柔性侧链调控拉伸性能的聚合物（图源：文献5） 

3、“掺杂”策略

这里的“掺杂”不同于无机半导体中的离子掺杂，是一个广义的概念，指在有机半导体材料中引入其他物质（如弹性体、交联剂、增塑剂等）来改变材料的物理和化学性质，从而提高其拉伸性能。

P1(P3HT)和SEBS共混后在不同方向拉伸下的纤维断裂示意图（图源：文献5） 

应用领域

1、健康监测与生物电子

本征可拉伸半导体器件能与皮肤、器官形成稳定共形接触，实现长期、无感的生命体征监测。例如，可拉伸晶体管传感器可实时监测心率、肌电信号，甚至分析汗液中的葡萄糖、乳酸等生物标志物，为个性化医疗提供关键技术。

2、人造电子皮肤与机器人传感
模仿人类皮肤功能的电子皮肤是柔性电子的核心目标之一。集成了可拉伸压力、温度传感器的阵列，通过本征可拉伸半导体构成的主动矩阵进行信号读取，能赋予机器人或假肢以细腻的触觉感知能力，实现与环境的安全、智能交互。

电子皮肤的简介及相关特性研究（图源：文献3）

3、柔性显示与照明

采用可拉伸发光聚合物或量子点/聚合物复合材料，能够制造出可弯曲、可折叠、甚至可任意拉伸变形的显示与照明设备。这将彻底改变现有显示产品的形态，应用于未来可穿戴设备、车载显示等前沿领域。

可拉伸超灵敏X射线探测聚合物半导体（图源：文献4）

4、可穿戴能源设备

将可拉伸半导体与可拉伸导体、电解质结合，可以制造出全可拉伸的能源器件，如太阳能电池、超级电容器。这些器件能为可穿戴电子系统提供自供能解决方案，确保其在人体运动变形时持续稳定工作。

本征可拉伸有机光伏技术（图源：文献4）

结语

本征柔性/可拉伸聚合物半导体，作为连接材料科学与未来电子形态的桥梁，正推动着电子器件从刚性、平面向柔性、立体和生物融合的方向深刻变革。尽管在大规模制造、长期环境稳定性等方面仍存挑战，但随着跨学科研究的深入，这类材料必将为人机交互、智慧医疗、物联网等领域带来革命性应用，最终实现电子设备“无形融入生活，自然贴合人体”的终极愿景。

参考文献：

1、邓海涛.弹性可拉伸电子器件及智能微系统研究[D].电子科技大学.

2、王金硕,银达,刘宇,等.本征可拉伸有机半导体研究进展及其在光电器件中的应用[J].发光学报.

3、穆帅荣.基于聚合物半导体的可拉伸突触晶体管用于多维感知电子皮肤[D].郑州大学.

4、王成彧,刘云圻,郭云龙.本征柔性/可拉伸有机光电材料与器件的研究进展[J].中国科学:化学.

5、岳好国.吡咯并吡咯二酮类可拉伸半导体材料的制备及其性能研究[D].北京化工大学.

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