高性能可拉伸电子阵列, 解决穿戴设备挑战！

【研究背景】

有机电化学晶体管（OECTs）是一种新型电子器件，因其在传感、计算以及可穿戴健康监测等领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统的半导体材料相比，OECTs具备较低的工作电压、优良的生物相容性和长时间的水稳定性等优点，使其在可穿戴设备和植入式传感器中具有重要应用价值。然而，OECTs的实际应用面临着机械不匹配的问题，即设备的刚性与人体的柔性之间的矛盾，导致数据的可靠性和质量受到影响。此外，OECTs在高密度集成电路的制造上也存在技术挑战，因此迫切需要解决这些问题，以推动其在实际应用中的落地。

近日，来自香港大学Dingyao Liu, Xinyu Tian, Jing Bai, Shaocong Wang，王中锐（现为南方科技大学） & 张世明等课题组在可穿戴传感器计算平台的研究中取得了新进展。该团队设计并制备了基于可拉伸有机电化学晶体管阵列的穿戴式传感器计算平台（WISE平台）。通过在制造过程中引入粘合超分子缓冲层，该团队实现了超过50%的可拉伸性，显著提高了器件在应变下的强度和稳定性。此外，研究人员采用高分辨率的六通道喷墨打印系统，成功制造了特征尺寸达到100μm的可拉伸晶体管阵列，展示了良好的制造良率（超过95%）。

该研究还开发了一种硬币大小的数据读出单元，能够在源头采集和处理生物信号。通过将传感与计算集成在一个硬件系统中，该平台展现了其在远程医疗监测和环境传感中的潜力，尤其是在提高电子系统的能效方面。研究结果表明，该WISE平台在多个应用场景中表现出色，具有良好的竞争力。这一进展为有机电子设备在实际应用中的推广提供了新的技术路径，也为未来的健康监测与环境监测技术奠定了基础。

【表征解读】

本文通过Agilent B2900A仪器和定制的可穿戴特征表征设备PERfECT，测量了PEDOT:PSS薄膜的电气性能及其在应变下的特性，揭示了该材料在柔性电子设备中的应用潜力。具体来说，作者使用拉伸机（Feinixs, FMSXX 80-50-50）对PEDOT:PSS薄膜进行拉伸测试，发现其在50%以上的应变下仍能保持良好的电气性能，这一发现为柔性传感器和电子设备的设计提供了重要数据支持。

针对PEDOT:PSS薄膜在拉伸过程中出现的开裂现象，作者使用了尼康光学显微镜进行微观机理的表征。通过观察薄膜的开裂模式，作者得到了材料在高应变条件下的失效机制，从而为进一步改善材料的机械性能提供了理论依据。这些微观机理的表征使作者能够识别出影响PEDOT:PSS薄膜性能的关键因素，进而挖掘出增强其柔韧性和稳定性的可能解决方案。

在此基础上，采用高分辨率的六通道喷墨打印系统，作者成功地制备了具有100μm特征尺寸的可拉伸有机电化学晶体管（ISOECT）阵列。通过这一系列的电气特性测量和微观表征，作者得以深入理解材料与结构设计之间的关系，优化了制造工艺。这些表征手段和研究成果不仅验证了作者设计的有效性，也为实际应用中集成传感器和计算单元的可行性奠定了基础。

总之，经过对PEDOT:PSS薄膜和ISOECT阵列的全面表征，作者深入分析了材料的电气性能和机械特性，进而制备出具有优异性能的新型柔性电子材料。这一研究不仅推动了可穿戴健康监测和环境传感器的进步，也为未来的可穿戴电子设备的开发提供了新的思路和技术路径。通过对材料特性的深入理解，作者期待在实现更复杂的电子功能和更高性能的传感器方面取得进一步的突破，最终促进柔性电子技术在实际应用中的广泛普及。

基于本征可拉伸有机电化学晶体管(ISOECTs)阵列，硬币大小的可穿戴感内计算单元（可穿戴集成和柔性电子WISE平台）的设计策略

参考文献：Liu, D., Tian, X., Bai, J. et al. A wearable in-sensor computing platform based on stretchable organic electrochemical transistors. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01250-9