直接光刻高分子半导体：构建低电压、高稳定可拉伸互补电路
近年来，类皮肤电子（skin-inspired electronics）在可穿戴健康监测、柔性机器人以及植入式医疗设备等领域展现出巨大潜力。然而，真正实现与人体组织“无缝融合”的电子系统，仍面临关键瓶颈：一方面，传统电子器件难以承受大幅拉伸；另一方面，尽管已有可拉伸晶体管取得进展，但大多数仍停留在单极型（p型）器件，难以构建高性能、低功耗的互补电路体系。尤其是n型材料性能不足、层层溶液加工过程中的性能衰减，以及难以实现高密度、可扩展制造，使得可拉伸互补电路的发展长期受限。
针对上述难题，斯坦福大学鲍哲南院士团队提出了一种基于“可直接光刻图案化高分子半导体”的全新策略，成功实现了全溶液加工、本征可拉伸的有机互补电路。研究通过将高性能n型聚合物嵌入弹性体网络，并结合对p型材料的氟化保护，实现了p/n双极材料的连续光刻加工。在此基础上，团队构建了可在100%拉伸下稳定工作的逻辑门和环形振荡器，且工作电压低至2 V。这一成果不仅突破了材料与工艺的双重限制，也为高性能柔性电子系统的规模化制造提供了新路径。相关成果以“Intrinsically stretchable complementary circuits based on direct photo-patternable polymer semiconductors”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为Qianhe Liu。
从整体结构出发，这项工作的核心在于重新设计“材料+工艺”的协同体系。如图1a所示，研究构建了一种典型的可拉伸互补反相器结构，其中p型与n型半导体、介电层及电极均可实现柔性与拉伸。图1b进一步展示了完整器件的分层结构——所有功能层均通过溶液法逐层构建，无需传统转移工艺，使得器件更适合大面积制造。更关键的是，在图1c和图1d中，作者提出了一种新的材料设计理念：通过共价交联和光刻图案化，使p型与n型材料能够在同一体系中连续加工且互不干扰，从而实现真正意义上的互补电路集成。
图1： 展示可拉伸互补电路的整体结构设计与材料策略，包括器件结构、分层制造及p/n材料的光刻图案化流程。
围绕这一理念，研究首先突破的是n型半导体的设计难题。如图2a所示，团队将高性能n型聚合物F4BDOPV-2T嵌入弹性体BA基体中，形成一种“纳米纤维网络+橡胶基底”的复合结构。这种结构的关键在于相分离：如图2b的AFM形貌所示，刚性半导体形成连续纤维网络，而柔性弹性体填充其间，使材料在拉伸时能够通过网络变形而非断裂来释放应力。进一步的光谱与X射线分析（图2c、2d）表明，这种复合并未破坏分子堆积结构，反而在一定程度上增强了链间相互作用，从而保持甚至优化电学性能。在电学性能方面，图2e与图2f展示了不同配比材料的晶体管性能。令人惊喜的是，当弹性体与半导体比例为1:1时，器件仍可保持接近原始材料84%的电子迁移率，同时显著提升环境稳定性。这说明，通过合理的结构设计，可以在“柔性”和“高性能”之间实现平衡，而这正是可拉伸电子长期以来的核心难题之一。
图2： 解析n型半导体与弹性体复合后的微观结构、电学性能及分子堆积特性。
进一步的机械测试揭示了该材料的真正优势。如图3a所示，纯半导体薄膜在25%应变时即出现裂纹，而复合材料可在100%拉伸下保持完整。AFM图像（图3b）清晰显示，在极限拉伸后，复合材料仍保持连续纤维结构。与此同时，图3c中的偏振光测试表明，材料在拉伸过程中会发生链取向，从而有助于维持甚至提升载流子传输能力。这一点也在器件测试中得到验证：如图3e所示，复合材料晶体管在100%拉伸下仍保持97%的迁移率，而传统材料性能大幅下降。
图3： 展示材料在拉伸条件下的机械稳定性与电学保持能力，包括裂纹抑制与迁移率变化。
在材料之外，工艺创新同样关键。图4a展示了一种“直接光刻图案化”策略：通过紫外光激发交联反应，使材料在曝光区域固化并具备溶剂稳定性，从而实现一步成型的图案化。图4b与4c进一步证明，该方法不仅能实现微米级图案，还不会破坏材料内部结构。更重要的是，如图4e所示，即使经过图案化处理，器件在拉伸状态下依然保持优异性能，这为复杂电路制造提供了可能。然而，在实现p/n双极材料集成时，一个关键问题浮现：后续加工会破坏已有层的性能。对此，研究提出了“氟化保护”策略（图4f），通过在p型材料表面引入氟化分子，形成保护层，从而避免在后续n型材料加工过程中发生性能衰减。对比图4g与图4h可以看出，这一策略成功将漏电流降低了数个数量级，使多层结构得以稳定构建。在材料与工艺双重突破的基础上，团队最终实现了完整的可拉伸互补电路系统。图4i展示了基本的反相器（NOT门），其在不同电压下均能实现清晰的逻辑输出。更重要的是，如图4j和图4k所示，该器件在100%拉伸下仍保持稳定增益（>10），且工作电压低至2 V，远优于以往可拉伸电子器件。
图4： 介绍直接光刻图案化方法及其在互补反相器中的应用，同时展示氟化保护策略。
进一步地，研究扩展至更复杂逻辑单元。如图5a–c所示，NAND门在不同输入组合下均能输出正确逻辑，并在拉伸状态下保持稳定。同样，图5d–f展示了NOR门的可靠运行。这些结果表明，该体系不仅适用于单一器件，更具备构建复杂电路的能力。最终，团队构建了三阶环形振荡器（图5g–i），实现了连续信号输出。即使在100%拉伸条件下，器件仍能维持振荡行为，尽管频率略有下降，但整体功能稳定。这标志着可拉伸电子从“单器件”迈向“系统级电路”的重要一步。
图5： 展示复杂电路实现，包括NAND、NOR逻辑门及环形振荡器在拉伸状态下的性能表现。
总结与展望
总体来看，这项研究通过材料设计与制造工艺的协同创新，首次实现了高性能、本征可拉伸的互补有机电路体系。其核心突破在于：构建了兼具高迁移率与高拉伸性的n型材料，实现了p/n材料的连续光刻加工，并成功演示了低电压、高稳定性的逻辑电路与振荡器。这一成果为未来柔性电子、生物电子以及智能可穿戴系统奠定了重要基础。展望未来，随着材料性能进一步优化及集成度提升，这类“像皮肤一样柔软”的电子系统，有望真正融入人体，实现持续健康监测与人机交互的新范式。
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