由于新材料和制造方法的发现，半导体正在从切割或形成薄盘或晶片的刚性基板转向更灵活的塑料材料甚至纸张。更灵活的基板的趋势导致了从发光二极管到太阳能电池和晶体管的众多设备的制造。
佐治亚理工学院的研究人员创造了一种材料，其作用类似于第二层皮肤，其可拉伸性比其原始尺寸高200%，而不会显着降低电流。研究人员表示，软柔性光电探测器可以增强医疗可穿戴传感器和可植入设备的实用性，以及其他应用。该研究将于12月15日发表在《科学进展》杂志上。
来自机械和计算工程实验室的佐治亚理工学院研究人员合作了三年多，以展示光电探测器的新水平拉伸性，这是一种由合成聚合物和弹性体制成的装置，可吸收光以产生电流。
今天的光电探测器被用作健康监测的可穿戴设备，例如刚性指尖脉搏血氧仪读取设备。它们将光信号转换为电信号，常用于可穿戴电子产品。
像橡皮筋一样可伸缩
乔治·W·伍德拉夫机械工程学院教授OlivierPierron说，鉴于传统的柔性半导体在几个百分比的应变下会断裂，佐治亚理工学院的研究结果是“一个数量级的改进”，他的实验室测量机械性能和柔性电子设备在极端条件下的可靠性。
“想想橡皮筋或像人类皮肤一样柔软和可拉伸的东西，但具有与固体或刚性半导体相似的半导体电特性，”曾在电气与计算机工程学院(ECE)工作的联合PICanekFuentes-Hernandez说现在是波士顿东北大学电气和计算机工程系的副教授。“我们已经证明，您可以在半导体中构建可拉伸性，从而保留检测光强度所需的电气性能，这些光强度比用于室内照明的灯泡产生的光强度要弱约一亿倍，”他说。
非凡的毅力和团队精神
国际倡议副教务长兼ECE教授BernardKippelen负责监督该研究的第一作者和博士YoungrakPark的工作。ECE的候选人。经过两年半的研究，Park发现了正确的化合物组合，可以生产出一种超软材料，在光照下能够产生和导电。
Park找到了半导体层所有部分的完美比例，以保持光电探测器的高性能。但要证明这些材料的可拉伸性是一项艰巨的工作，特别是考虑到单层比人的头发薄1,000倍。
Park依靠KyungjinKim，然后是佐治亚理工学院的博士。机械工程专业的学生，测试材料的可靠性。他继续为Kim提供更大、更厚的样品，直到厚度为500纳米的样品成功。
“它仍然非常薄。在干燥的条件下，它会崩溃。我们不得不使用蓄水池来保持它的形状，”现任康涅狄格大学机械工程系助理教授的Kim回忆道。
Pierron详细说明了测量光敏层的纯机械性能是多么困难，“电子设备通常非常脆弱，这对于在刚性基板上制造的传统设备来说是可以的。但是一旦你使用软基板，这就会成为一个问题.”
水就像保鲜膜一样，将薄膜固定在适当的位置而不会破碎或变形，使研究人员能够拉伸材料并测量其机械性能。
为了测试在照明下从设备发出的电信号，必须在其上嵌入电子端子。然而，这些端子也必须是可变形的，否则整个设备就会变得僵硬。
“制造可拉伸的电子终端本身就是一项重大挑战，”ECE博士说。与Park密切合作并专注于嵌入式组件的研究生FelipeAndresLarrain。他现在是智利阿道夫·伊瓦涅斯大学的助理教授。
虽然这种突破性材料最初已集成到光电探测器中并进行了电气功能测试，但还需要更多的测试和优化来显示材料在多模态载荷下的拉伸性及其货架稳定性。
“令人兴奋的是这些材料和设备将使我们能够开发——即智能系统的概念。你有功能表面，结合了监测各种物理特性的传感器，”伍德拉夫学院前任格雷厄姆说。机械工程，现任马里兰大学工程系主任。
“这是跨学科研究的一个很好的例子——如果没有电气和机械工程师之间的合作，这项工作是不可能完成的，”Kippelen说。“在实验室中，我们之前没有任何使用可拉伸材料的经验。弄清楚如何衡量这一点需要大量的毅力、创造力和辛勤工作。”
新的智能应用成为可能
研究人员对这种材料在增强医疗可穿戴设备方面的潜力感到非常兴奋。通常，使用刚性生物传感器的手表具有局限性，因为弯曲手腕会完全改变传感器的测量值。它们会受到“运动伪影”或人移动时导致的图像质量下降的影响。
亚特兰大生物传感器初创公司HuxleyMedical的项目经理GabrielCahn指出：“四处走动会极大地影响所收集数据的可用性，但能够重新定位身体上的设备以最小化或消除运动伪影是一件大事。”最近毕业于佐治亚理工学院，获得柔性电子学博士学位。“拥有可以弯曲、扭曲、弯曲和贴合非平坦表面并与您的身体一起移动的电子设备将使您能够将这些传感器放置在更有利的位置以收集生物特征数据。这将在帮助诊断或监测现有生物识别数据方面更加有用。内科疾病。”
研究团队预见了柔软且可拉伸的聚合物混合物在可穿戴设备之外的广泛应用，可用于健康监测。“软设备对于生物电子应用的植入式电子设备也很有吸引力，因为界面符合软生物组织的动态运动，减少了异物反应，”金说。
“潜力是惊人的，”Larrain补充道。“从长远来看，你可以开发出可以增强甚至取代人眼或应用于机器人眼睛的传感器。”
Fuentes认为这种材料可用于智能农业应用，农民可以将光传感器安装到水果或其他产品中，以监测生长、疾病和更好的收获时间。
Kippelen认为，检测超低光级的橡胶状光电二极管可以应用于检测、识别和表征核燃料循环监测的电离辐射。
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