Nästa generations polymerer som utvecklats i labbet måste bli töjbara och självläkande för att bilda nya hudliknande sensoriska enheter för att möta kraven från futuristiska elektroniska hudapplikationer. Även om forskare har gjort betydande framsteg inom hudinspirerade elektroniska material, det är utmanande att inkludera önskade funktioner i en aktiv halvledare för förbättrad avkänning. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Jin Young Oh och ett tvärvetenskapligt forskarteam vid avdelningarna för kemiteknik, Biomedicinsk forskning, Ellära, Materialvetenskap och maskinteknik i USA och Sydkorea, utvecklat en stamkänslig, töjbar och autonom självläkande halvledarfilm.

De konstruerade det nya materialet genom att blanda en polymerhalvledare och självläkande elastomer, dynamiskt tvärbundna med hjälp av metallkoordinationsbindningar. Young Oh et al. kontrollerade perkolationströskeln för polymerhalvledaren för att bilda en töjningskänslig film med en gauge-faktor på 5,75 x 10 ⁵ vid 100 procent töjning under töjbar övergång. Kompositfilmen var mycket töjbar med en brotttöjning större än 1300 procent med demonstrerad autonom självläkning vid rumstemperatur. Forskargruppen utvecklade sedan en integrerad fem gånger fem töjbar aktiv-matris transistorsensorer (elektronisk hud) för att detektera spänningsfördelning under ytdeformation.

Framsteg inom töjbara elektroniska material och enheter har gjort det möjligt för forskare att efterlikna självläkande egenskaper hos mänsklig hud och påskynda utvecklingen av hudinspirerade enheter, mjuka robotar och biomedicinska apparater. Materialforskare kan integrera stela avkänningsmoduler i en ultratunn plattform med töjningskonstruerade konstruktioner för att konstruera ytor via transfertryck. Bioinspirerade material kan också skapas med förbättrad känslighet och kompatibilitet för implantation i människokroppen. Vid sidan av mekanisk stimulimodulering för att representera elektronisk hudfunktion (e-skin) för biomimetiska sensoriska funktioner för mänsklig hud.

Active-matrix transistor array-baserade sensorer kan ge högkvalitativa avkänningssignaler med reducerad överhörning mellan enskilda pixlar, där varje pixel innehåller en sensor kopplad till en transistor. Forskare hade tidigare använt töjningsteknik för att bädda in stela sensorer och transistorer i töjbara, biomimetiska system för att hjälpa patienter med rörelsestörningar. För att eliminera mekanisk obalans mellan styva och mjuka komponenter; sensorerna och transistorerna måste vara i sig töjbara. En töjningsavkännande transistor kan förenkla tillverkningsprocessen för att förbättra mekanisk robusthet och anpassningsbarhet. En ytterligare kapacitet för självläkning kan öka fördelarna med e-skin för att motivera en längre livslängd.

I detta arbete, Young Oh et al. presenterade en i sig själv töjbar och självläkande halvledande film med töjningskänsligt elektriskt beteende inkluderat i en töjbar transistor. De smälte samman två material för att bilda en halvledande film genom att blanda en polymerhalvledare och en isolerande elastomer för att demonstrera den nya egenskapen. När de bröt metallkoordinationsbindningarna i det smälta materialet, konstruktionen kunde spontant rekonstruera för att överföra sträckbar, tuff, självläkande egenskaper till den spröda halvledande filmen.

Elasten i den blandade filmen bibehöll en låg modul för att absorbera den yttre mekaniska belastningen för att konstruera ett multifunktionellt elektroniskt material. Forskarna tillverkade sedan en töjbar aktiv matris sensorisk transistoruppsättning, där de integrerade den halvledande filmen, dielektrisk elektrod och sammankoppla med hjälp av en transfer-utskriftsprocess. Det halvledar-/dielektriska gränssnittet för sensoruppsättningen var vattentätt, även efter kontakt med konstgjord svett i 15 timmar. Young Oh et al. föreställa sig att de stamkänsliga, töjbar och självläkande halvledare kommer att förändra standarden för e-skin för utökade applikationer.

Teamet konstruerade ett sammansatt halvledande material som utvecklats tidigare av samma forskargrupp. I det här arbetet, de förkortade den nya kompositen DPP-TVT-PDCA; där de blandade poly(3, 6-di(tiofen-2-yl)diketopyrrolo[3, 4-c]pyrrol-1, 4-dion-alt-1, 2-ditienyleten) med 10 molprocent 2, 6-pyridindikarboxamin (PDCA) delar.

De kombinerade sedan PDCA med poly(dimetylsiloxan-alt-2, 6-pyridindikarbozamin) för att bilda PDMS-PDCA-polymeren. PDCA-polymeren bildade metall-ligand-koordinationskomplex (Fe(III)-PDCA) med flera dynamiska bindningar och tre olika bindningsstyrkor för att underlätta dynamisk tvärbindning, inneboende töjbarhet och självläkande potential. Forskarna visade Fe(III)PDCA-ligandbindning med PDMS-PDCA och DPP-TVT-PDCA i blandningsfilmen.

De optimerade fälteffektmobiliteten på halvledarfilmen (DPP-TVT-PDCA) genom att introducera varierande förhållanden av en elastomer (PDMS-PDCA-Fe) för att bilda en blandningsfilm med ett optimerat viktförhållande. Den resulterande halvledande polymeren bibehöll rimliga laddningsbärarrörligheter och bildade tillräckliga elektriska perkolationsvägar. Blandningsfilmen bibehöll en hög töjbarhet, Poissons förhållande och Youngs modul liknar mänsklig hud och bättre än typiska halvledande polymerer. Reologisk analys av blandningsfilmen vid rumstemperatur visade att materialet uppförde sig på liknande sätt som ett fast ämne med tvärbindning med metalljonkoordination. Glasövergångstemperaturen för materialet liknade typiskt PDMS-gummi.

De testade filmens sträckbarhet med hjälp av upprepade töjningscykliska tester, och krediterade den observerade energiförlusten till Fe(III)-PDCA-koordinationsbindningsbrott under stressavslappning. Även efter förlängning av blandningsfilmen över 100 procent töjning, den återhämtade sig till sin ursprungliga längd efter en timmes vila på grund av omorganisation av polymerkedjor. Teamet karakteriserade morfologin och den elektriska perkoleringen av blandningsfilmen med hjälp av transmissionselektronmikroskopi. Följt av kartläggning av elementen i materialet med hjälp av energispridande röntgenspektroskopi för att identifiera svavel (S), kisel (Si) och järn (Fe) toppar. Resultaten indikerade hög känslighet hos materialet för belastning, där elasten absorberade den applicerade spänningen samtidigt som den bibehöll den kristallina delen av den halvledande filmen, för att möjliggöra den föreslagna sträckningsmekanismen för blandningsfilmen.

Forskargruppen testade den töjningskänsliga laddningstransporten av den halvledande filmen med hjälp av organiska tunnfilmstransistorer (OTFT) via transfertryck. De upptäckte inga nanosprickor i den överförda filmen med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM) för att eliminera möjligheten till mekanisk skada på grund av belastning. Forskarna förångade sedan guld, ett elektrodmaterial, på blandningsfilmen och observerade att påströmmen för transistorn minskade när den procentuella töjningen ökade. Mätfaktorn var högst på 5,7 x 10 ⁵ vid 100 procent belastning, vilket var det högsta värdet som rapporterades för halvledande töjningsgivare, och jämförbar med toppmoderna, ledningsbaserade töjningsmätare. Enheterna visade helt reversibel ström-spänningskaraktär och repeterbart cyklingsbeteende, liknande töjbarheten hos mänsklig hud.

Young Oh et al. erhållit den unika självläkande egenskapen hos e-skin genom dynamisk metall-ligand-koordinationsbindning. För att testa den självläkande förmågan, de skär materialet (200 nm i tjocklek) vid rumstemperatur, lämnade det i 24 timmar och observerade att ärret försvann autonomt. Den läkta filmen kunde sträckas till mer än 200 procent töjning före frakturering. När de testade den elektriska egenskapen hos den läkta halvledande filmen med en mjukkontaktmetod i OTFT, de återfann fälteffektrörligheten hos det läkta materialet. Jämförelsevis, skärning av ett halvledande material utan självläkande egenskaper bibehöll inte transistorliknande ström-spänningsbeteende.

För att möjliggöra nyutvecklat halvledande material för e-skin-applikationer, Young Oh et al. tillverkade en fem-av-fem helt töjbar, töjningskänslig aktiv matris transistoruppsättning. För detta, de byggde en mycket töjbar och ledande sammankoppling med hjälp av en elektrod gjord av starkt ledande töjbart guld (Au) och en polystyrenelastomer för höghastighets flera skanningar utan signalfördröjning eller förlust inom den aktiva matrisarkitekturen. För att bekräfta elektrodens mekaniska tillförlitlighet genomförde de upprepade cykliska tester på upp till 100 cykler under 50 procent belastning och fick överlägsen prestanda. Enheten uppvisade reversibla töjningsavkännande operationer för att helt återhämta sig till det ursprungliga tillståndet efter att stammen släppts.

För e-skin-applikationer av den töjbara töjningssensorn, forskarna sänkte enhetens driftspänning från -60 till -5 volt för långsiktig hållbarhet och medicinsk säkerhet. Trots lågtröskelspänningen, anordningen var känslig för påförd belastning. Vattentät prestanda var en prioritet för att förhindra enhetsfel vid kontakt med mänsklig hudgenererad jonisk svett; vilket de uppnådde med hjälp av en elastomer för att passivera fem-av-fem-sensortransistoruppsättningen mot svett, följt av nedsänkning i konstgjord svett i 15 timmar. Det monolitiska avkänningssystemet skulle kunna 3-D kartlägga e-hudsdeformation i en förenklad tillverkningsprocess, kombinerar en sensor- och transistorarkitektur till en enda enhet. Forskarna "petade" e-skinet för att kvantifiera aktuella förändringar av den aktiva matrissensorn och simulerade den applicerade belastningen med finita elementmetoder.

På det här sättet, Jin Young Oh och kollegor presenterade ett tillvägagångssätt för belastningskänsliga tekniker, töjbara och självläkande halvledarfilmer för att bilda hudliknande töjningssensorer med aktiv matris. Det sammansatta nätverket av material gav töjningskänslighet för den blandade filmen. Metallligandkoordinationen gjorde det möjligt för halvledaren att vara mycket töjbar och automatiskt självläkande vid rumstemperatur. Med hjälp av den halvledande filmen, forskarna utvecklade en e-skin som detekterade tryckinducerad deformation, tillsammans med visualisering av den applicerade belastningen. Den syntetiska e-skin var helt läkbar och kunde fungera inom en medicinskt säker spänning, med potential att införliva högk-dielektriska material efter ytterligare optimering.

© 2019 Science X Network