北京大学雷霆团队Science：首次实现高电学性能半导体水凝胶|水凝胶|纳米|超导材料|高分子|高电学

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水凝胶具有和生物组织相似的机械性能、含水量高和离子通透性好等特性，在组织工程、医用敷料、生物传感等领域具有广泛的应用。水凝胶与导电材料复合后，可以实现电子导电，展现出优异的生物组织-电子器件界面特性，已经实现了多种检测、诊断和治疗功能。但是和硅基电子器件相比，水凝胶电子器件因为缺少半导体水凝胶材料，尚无法实现丰富的集成电路功能，例如开关、整流、运算、放大等。传统的有机半导体材料难以实现水溶液加工，尚无法和传统水凝胶复合，且无法在水溶液中实现优异的半导体性能。

针对这些挑战，北京大学雷霆课题组提出了半导体水凝胶设计策略，填补了传统水凝胶材料无法实现高性能电子电路的空白。他们通过将水溶性阳离子共轭高分子用抗离子交联或与其他水凝胶共混形成多网络结构实现了兼具优异机械性能、半导体性能、界面性能和生物相容性的半导体水凝胶。他们基于半导体水凝胶首次实现了具有优异开关特性的半导体水凝胶器件和逻辑电路，并实现了生物电信号的原位高信噪比放大。相关工作以“N-type Semiconducting Hydrogel”为题发表在Science上。

图1半导体水凝胶兼具传统水凝胶和有机半导体的多种特点；高分子P(PyV)的抗离子交联机理和电化学掺杂机理。

该研究合成了带有阳离子骨架的无侧链水溶性聚合物半导体P(PyV)，通过抗离子静电交联，使其形成三维多孔状亲水网络，实现了单网络水凝胶P(PyV)-H（图1）。该水凝胶具有优异的半导体性质，其构筑的有机电化学晶体管（OECT）器件在水中的电子迁移率高达0.25 cm2 V−1 s−1，开关比达到107。基于P(PyV)-H的互补型逻辑电路，可以实现NOT、NAND和NOR等逻辑门（图2）。其中，互补型反相器的增益值可达250 V/V，功耗小于1 μW，操作电压低于0.8 V。

图2 单网络水凝胶P(PyV)-H的半导体性能。A）由PyV-H构筑的逻辑电路示意图；B-C）P(PyV)-H的OECT电学性能；D-G）由PyV-H构筑的逻辑电路测试结果。

P(PyV)高分子也可以与多种传统水凝胶结合，构筑多网络水凝胶材料（图3）。多网络半导体水凝胶展现出良好的机械可拉伸性和生物粘附性。多网络水凝胶也表现出和单网络水凝胶可比拟的半导体性能，同样可以实现开关、逻辑门和信号放大等多种电路功能。

图3 多网络水凝胶机械性能、界面性能和半导体性能表征。A-B）多网络水凝胶成分及示意图；C-F）力学性能；G-J）电学性能

这些半导体水凝胶具有良好的生物相容性，因此可以直接用作生物电子器件与生物组织的界面。由半导体水凝胶构成的反相器放大增益优于传统有机半导体逻辑器件，可实现小信号的放大，对于1-100 Hz交流小信号的输入，最高增益值可达79倍。基于半导体水凝胶互补型信号放大器，作者实现了多种电生理信号，包括眼电、心电、脑电和小鼠大脑皮层信号的高信噪比放大（图4）。

本研究填补了半导体水凝胶在生物电子应用领域的空白，首次实现高电学性能的半导体水凝胶的制备，同时具备有机半导体的电学特性以及水凝胶的机械、生物界面特性，扩展了水凝胶的应用范围。利用半导体水凝胶可以构筑丰富的逻辑电路。通过半导体水凝胶放大器的原位放大，使得微弱生物信号在引入噪声之前被放大，显著提高了信号的信噪比，为高灵敏度生物信号的采集提供了新思路。

图4 基于半导体水凝胶的生物电子应用。A）生物相容性；B-D）半导体水凝胶互补型信号放大器性能；E-G）电生理信号原位放大的应用

博士研究生李佩雲和孙文熙是该论文的共同第一作者，雷霆研究员是通讯作者。合作者包括清华大学的戴小川课题组、北京大学吕世贤课题组和国家纳米中心朱嘉课题组。该研究工作得到国家自然科学基金、北京市杰出青年基金、北京大学高性能计算平台，北京大学材料加工与测试中心，北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台和上海光源等的支持。

研究团队

（共同）第一作者李佩雲：北京大学2019级直博生，导师为雷霆研究员；2019年本科毕业于华中科技大学材料科学与工程学院。

（共同）第一作者孙文熙：北京大学2021级博士生，导师为雷霆研究员；2016年本科毕业于哈尔滨工业大学，2019年硕士毕业于上海交通大学。

通讯作者雷霆：北京大学特聘研究员、博士生导师，专注于有机高分子功能材料、有机电子学、柔性可穿戴器件、生物医学电子技术等研究；2008年本科、2013年博士毕业于北京大学化学与分子工程学院，导师为裴坚教授；2013—2018年于斯坦福大学化工系从事博士后研究，合作导师为鲍哲南院士；2018年3月加入北京大学。