十多年来，斯坦福大学鲍哲南教授团队始终致力于开发电子皮肤，并在可穿戴领域做出了很多创意十足的突破性研究。例如，在 2022 年发表在 Nature 上的一篇研究中，鲍哲南团队介绍了一种极富弹性的可穿戴显示器，其最大亮度至少是手机的两倍，在拉伸至原有长度两倍时仍能正常工作。这种全聚合物薄膜可以粘在手臂或手指上，在弯曲或弯曲时不会撕裂，这将使可穿戴显示器直接附着在皮肤上。其团队的一些更具想象力的研究，比如可拉伸生物相容性材料，可以像防晒喷雾一样被喷在手背上，其中的微型电子网络可以感知皮肤的拉伸和弯曲，这可以把手部运动和手势与各种日常任务联系起来，也许能够开辟一个属于隐形设备的时代。
2024年03月13日，美国斯坦福大学化工系鲍哲南教授团队报道了具有高驱动能力、高运算速度和大规模集成的高密度、内在可拉伸的晶体管和集成电路。它们是由材料、制造工艺设计、设备工程和电路设计方面的创新组合而成的。相关论文以题为 “ High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits ” 发表在Nature上。第 一作者为斯坦福大学化工系Donglai Zhong，Can Wu、Yuanwen Jiang为共同一作，鲍哲南教授为通讯作者。
这是一种新的类肤集成电路设计和制造工艺，这种集成电路不仅运行速度快，且体积比早期版本小五倍。要知道，小型可穿戴或植入式电子设备也可以实现检测健康状况、诊断疾病等功能。对此，鲍哲南教授表示，“我们已经取得了重大飞跃。可拉伸集成电路第 一次变得足够小、足够快，足以满足许多应用的需要。我们希望这可以使可穿戴传感器以及植入式神经和肠道探针更加灵敏，操作更多传感器，并可能消耗更少的功率。”
与人体无缝集成的类皮肤电子设备，将实现舒适、大规模和高保真的生理监测、健康状况的实时分析、局部治疗、假肢的感觉运动功能重建和增强现实。为了实现器件的一致性和可拉伸性，研究了三种不同的方法：(1)结构工程，如屈曲，褶皱或基里伽米结构；(2)可拉伸导线连接有源元件刚度工程；(3)本质上可拉伸的电子学。其中，本质上可拉伸的电子产品具有即使在运动和尺寸变化时也能与组织紧密接触的独特优势，因此使其成为人机界面，可穿戴和可植入的理想平台。
为了实现先进的类皮肤电子器件所需的传感、处理和驱动功能，需要高性能的内在可拉伸晶体管和大规模集成电路(图1a)。为了实现这一目标，通过材料创新和设备工程，已经做出了大量努力来开发可拉伸电子产品。在实现高空间分辨率和电气性能方面仍然存在挑战。
尽管最近在材料设计方面的尝试导致了可直接光刻的导体、半导体和介电层，以及器件密度的提高，但可拉伸器件的电性能仍然比大多数柔性薄膜器件低几个数量级，特别是在短通道长度(例如，由于低半导体载流子迁移率和高金属半导体接触电阻，跨导归一化(沟道宽度为0.5 nS µm−1)。
在电路层面，迄今为止实现的最大集成具有54个晶体管和14个逻辑门。此外，据研究者所知，报道的最 高运行速度仅为330 Hz，远低于实际应用的要求(例如，显示驱动，信号调节或生理监测的>10 kHz)。因此，目前的类皮肤电子设备只能实现基本功能，比如用有限数量的输出端子来处理缓慢的信号。
通过材料、制造工艺、器件工程和电路设计方面的创新来解决上述挑战，这些创新使具有高电驱动能力和高运行速度的内在可拉伸电子器件以及具有高晶体管密度的大规模电路集成成为可能(图1b-e)。
首先，讨论了材料选择、器件结构和制造工艺的原理。在 S/D 电极方面，作者开发了一种金属辅助掀离工艺，用于 M-CNT 接触电极的图案化。该工艺包括对堆叠的聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）/铜（Cu）结构进行图案化，然后通过喷涂沉积 M-CNT （图 2e）。利用光刻技术和氧等离子刻蚀技术，紫外交联 PEDOT:PSS/PR 薄膜可被图案化成小至约 0.8 μm 的栅极长度（图 2g）。作者引入了 EGaIn 作为全局互连器件，从而大大降低了片电阻，约为 0.2 Ω sq-1，并可通过改进的升华工艺成功图案化至约 2 μm 宽度（图 2h）。高迁移率半导体是实现晶体管和集成电路高驱动能力的关键。作者首先将 S-CNT 沉积到右旋糖酐薄膜上，然后用聚合物涂层支撑薄膜，再将其转移到聚合物电介质上（图 2k）。由此产生的底栅晶体管显示出小于 0.1 V 的小滞后和约 105 的高导通比。使用带有金（Au）接触电极的底栅结构测量到的饱和载流子迁移率在 Lch 为 100 μm 时达到约 30 cm2 V-1 s-1（图 2l）。
然后，制作了一个包含10082 个（142 × 71）晶体管的大型晶体管阵列（图 3a）。根据这些晶体管测得的转移曲线，10,018 个晶体管的最大漏极电流（Imax）高于 3 μA，漏极电流通断比高于500（图 3b）。该批器件的总体良率达到 99.37%，创下了迄今为止本征可拉伸晶体管的最 高纪录。此外，所有晶体管在 Imax、电流通断比和阈值电压方面都表现出良好的一致性（图 3c）。晶体管阵列在应变条件下表现出明显的韧性，即使在平行或垂直于电荷传输方向的 100% 应变 (ε)条件下，也没有观察到裂纹或分层（图 3d）。当沿传输方向拉伸时，晶体管显示出稳定的电特性（图 3e），因此，此可拉伸晶体管表现出极佳的机械耐久性。利用上述高分辨率图案化工艺，成功地将单个晶体管面积缩小到约 288 μm2 ，Wch/Lch 为 12 μm/2 μm，并将晶体管堆积密度提高到每平方厘米 200000 个晶体管。此晶体管具有约 0.1 V 的小扫描滞后、约 105 的高电流通断比、每分位 0.36 V 的阈下摆动 (SS) （图 3f）和 27.5 μA 的最大电流（图 3g）。
继而，制造出了迄今为止最小的本征可拉伸伪 E 和伪 D 逆变器。作者的逆变器可在 ±5 V 至 ±2 V 的低电源电压下工作，滞后较小（图 4a），并在高达 100% 应变时表现出良好的机械稳健性。作者制作了一个晶体管矩阵（图 4c），密度为每平方厘米 100,000 个晶体管，矩阵中的所有晶体管都可以通过控制字（栅极）线和位（漏极）线单独寻址（图 4d），性能与孤立器件相似（图 4e）。除了有源矩阵外，作者还在约 0.28 平方厘米的面积上制作了一个 527 级环形振荡器，由 1,056 个晶体管和 528 个零 Vgs 负载反相器组成（图 4f、g），在 10 V 电压下可产生振荡频率 (fO) 为 176 Hz 的信号（图 4h）。与之前的报告相比，集成晶体管和逻辑门的数量都增加了 20 多倍，据作者所知，首次实现了大规模本征可拉伸集成电路（图 4i）。
图4. 本质上可拉伸，高速和大规模集成电路
最后，为了展示可拉伸晶体管阵列的实际应用，着手制作了一个高分辨率盲文传感阵列和一个LED 矩阵显示器，利用晶体管访问和驱动单个像素。得益于高伸展性和小面积，此有源矩阵传感器阵列（10 × 20 像素）可以贴合人的手指（图 5a,b）。一旦触觉传感器上的加载压力达到约 20 kPa，同一像素中接入晶体管的离子将从低于 1 nA 增加到高于 1 µA（图 5c、d）。较大的离子响应和较小的像素尺寸（200 微米）实现了对微小物体的精确映射，以及识别形状、方向、位置和大小的能力（图 5e、f）。此器件在可拉伸电子器件中实现的创纪录的高传感密度现已超过人类指尖机械受体密度的 10 倍以上（图 5g）。因此，盲文识别的分辨率比人类手指还要精细。通过这种面积仅为 8 平方毫米的传感阵列，现在可以读取的不是单个字母而是多个字母，而是整个单词（图 5h）。接下来，作者驱动一个 LED 显示系统（图 5i），其中每个 LED 都由一个内在可拉伸晶体管单独驱动，作者制造的系统以高于 60 Hz 的刷新率成功显示了不同的数字、字母和符号（图 5j）。即使在扭曲或拉伸等大变形情况下，晶体管阵列仍能正常驱动 LED 显示屏，即保持恒定的驱动电流，从而实现稳定的 LED 亮度。
综上，通过合理的材料设计和制备，加工和器件工程，实现了具有前所未有性能的内在可拉伸皮肤集成电路的里程碑。实现了创纪录的高晶体管阵列密度，具有良好的机械稳健性，高良率和高驱动能力。具体来说，实现了一个具有1000多个晶体管的大规模内在可拉伸集成电路，并将级开关频率提高到兆赫兹区域。合理的材料选择，界面工程和工艺设计允许最小化晶体管通道长度，同时减少寄生电容和互连电阻。最后，内在可拉伸晶体管阵列被用来演示(1)高分辨率盲文识别和小物体的形状感知，超越了人类皮肤的能力;(2)具有60hz刷新率且变形下性能稳定的led显示屏。高性能内在可伸缩电子产品是实现未来实际皮肤应用的各种功能的关键组成部分，例如，生理信号的高频采集，本地放大器阵列，皮肤计算，显示和闭环驱动。
在柔性电子学领域的不断探索和创新中，该研究展示了令人兴奋的成果和潜在应用前景。通过采用先进的材料、精密的制备工艺和创新的器件设计，鲍哲南教授团队成功地实现了柔性电子器件的小型化和高性能。相信在不久的将来，柔性电子学将为诸多领域带来革命性的变革，实现更广泛的应用和社会价值。