综述：基于半导体聚合物的柔性纤维电子

研究背景

最近，新的想法，如元宇宙、扩展现实、人类增强和全天候医疗保健，已经发展起来，并得到了可穿戴和可植入技术的支持。相应地，对柔性/可拉伸、轻质、舒适和多功能的电子设备的需求也显著增加。然而，传统的无机半导体(如硅和氮化)基本上是硬而脆的晶体块状材料，不容易用于上述的应用。

新的应用需要新的材料。最近，半导体聚合物因其固有的灵活性、高生物相容性和廉价的溶液制造而引起了许多研究兴趣。由于前沿分子轨道理论定义了“带隙”，聚合物半导体的特性可以方便地通过分子设计来调整，甚至可以定制，从而提供了比无机半导体更大的优势。因此，迄今已报道了半导体聚合物在可穿戴和植入式电子产品中的众多应用，包括可穿戴电化学储能、太阳能电池、LED、逻辑电路、TE 和电生理传感器。

然而，这些工作大多是基于二维 (2D) 平面设备，而一维 (1D) 纤维设备在与日常纺织品的整合方面更适合未来的可穿戴应用。由于具有非常高的长宽比，纤维器件有望拥有比平面器件更高的灵活性，使其能够更好地适应不均匀的皮肤形态，并适应人体的复杂运动。纤维可以通过纺织技术进一步加工成一维纱线、二维织物和三维(3D)间隔织物，其层次性使其非常适合于可穿戴设备的机械设计。目前，基于纤维电池和显示织物等功能材料的可穿戴纤维电子和织物装置已经实现了工业化生产，具有良好的实际穿戴性能。此外，纤维形状的设备可以减少植入手术中的切口大小。例如，侵入性的脑机接口 (BCI)设备必须植入大脑灰质，以获得高质量的信号收集。相应地，具有微米级截面宽度的纤维状神经传感器阵列可以以最小的创伤穿透到脑组织深处，并且容易拆卸，因此减少了生物安全相关的风险。通过适当的设计和修改，一维纤维状设备不仅可能实现高组织兼容性，而且还可以实现多功能的单纤维集成，这对于可植入应用是非常理想的。

研究成果

半导体聚合物材料的发展进一步赋予了纤维和纺织品各种电子功能，这些功能在信息接口、个性化医疗和清洁能源等应用中具有吸引力。由于它们能够很容易地融入到日常生活中，基于半导体聚合物的软纤维电子器件最近在可穿戴和植入式应用中获得了青睐。在此，东华大学Gang Wang教授等人对基于半导体聚合物的纤维电子学以前和现在的进展进行了回顾，特别是在智能可穿戴和植入领域。首先，根据不同设备的基本概念和功能要求，从材料的角度对半导电聚合物进行了简要概述。然后分析了现有的应用和相关设备，如信息接口、保健和医疗、能源转换和存储。总结了基干半导体聚合物的纤维器件的工作原理和性能。此外，重点讨论了纤维器件的制造技术在一维纤维和纱线的连续制造的基础上，介绍了二维和三维织物的制造方法。最后，回顾了挑战和相关的观点以及解决相关问题的潜在方案。相关报道以“Soft Fiber Electronics Based on Semiconducting Polymer”为题发表在Chemical Reviews期刊上。

总结与展望

为了澄清半导电聚合物纤维的现状和未来的挑战，有必要确定该领域目前的瓶颈和困难领域。必须关注各种发展中的领域，包括元宇宙、增强现实、人工智能和智能医疗。在这些应用中，半导体聚合物纤维和纺织品的瓶颈是在利用一维纤维结构的同时保持与传统平面器件相当的性能，这在以前的报告中几乎没有涉及。纤维状的半导体聚合物器件目前正处于开发的早期阶段。下面列出了几个层面的挑战，包括材料系统、器件性能、工业规模的制造、系统集成和连接，以及商业化。在这一部分，也提出了对未来发展的见解。

1. 新型纤维成型半导电聚合物材料的设计

2. 引入稳健的接口以提高设备性能

3. 器件制造的多场辅助技术

4. 多个设备的系统级互连

5. 以市场为导向的发展战略

通过纳入新的半导体聚合物合成、稳健的多层界面设计、多场辅助加工技术等，预计半导体聚合物纤维和纺织品将在学术界和工业界取得显著进展。

文献链接

Soft Fiber Electronics Based on Semiconducting Polymer

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00720

转自：“i学术i科研”微信公众号

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