类皮肤样的内在可伸缩软电子设备，是实现下一代远程预防医学先进个人保健的必要条件。近年来来，可伸缩导体和半导体的发展，使高力学强度和皮肤顺应性的电子电路或光电器件成为可能。然而，它们的工作频率通常被限制在了100赫兹以下，这远远低于许多应用程序所要求的频率。在此，来自美国斯坦福大学的鲍哲南等研究者报道了，基于可伸缩有机和纳米材料的可伸缩二极管，其工作频率可高达13.56兆赫。相关论文以题为“High-frequency and intrinsically stretchable polymer diodes”于2021年12月08日发表在Nature上。由柔软和可伸缩材料制成的皮肤状电子设备，旨在保持与柔软的、任意形状的人体和器官的亲密和不可察觉的接触。下一代软可穿戴设备，有望在不干扰人们日常活动的情况下，实现对高保真生物信号的长期监测，并为未来的精确健康远程监测提供便利。尽管人们提出了几种实现软电子器件的方法，包括本征可拉伸材料和柔性材料的结构工程，如起皱结构或微裂纹等。具体地说，类皮肤样的内在可伸缩材料，可能会显著增加所产生装置的力学稳健性。近年来，内在可伸缩导体/半导体的发展，已使可适应皮肤、坚固耐用的可穿戴传感器和电路的原型成为可能。然而，它们目前最高工作频率只有100赫兹，远远低于普通电子产品的工作频率(从兆赫到千兆赫)。重要的是，这限制了它们在无线通信中的使用，而这对于确保用户坚持监测和治疗是非常有用的。为了解决这个问题，需要一个二极管，其工作频率与商业允许的基-载波频率(射频识别中为6.78 MHz和13.56 MHz)相当。二极管需要整流兆赫交流(交流)载波信号和形成直流(直流)电压所需的其他缓慢的设备，包括传感器，显示器或电路的操作等。对柔性和刚性有机电子器件来说，实现高频操作具有挑战性，而可伸缩有机电子材料从未实现过这一点。这是由于对器件结构、材料和制造工艺的严格要求。具体来说，材料必须同时满足导电性、拉伸性、功函(WF)和加工兼容性的要求。所有这些性能，都使得识别合适的材料组合，来实现高频操作变得特别具有挑战性，即使是非拉伸材料。而由于可拉伸电子材料的选择有限，实现高频操作更加困难。在此，研究者报告一种内在可拉伸二极管，可在50%的应变下对13.56MHz的高频信号进行校正。此外，研究者的二极管集成到一个追踪器上，该追踪器带有可伸缩天线、应变传感器和电致变色显示器(ECD)像素。当追踪器由柔性电源电路无线供电时，ECD像素将应变传感器获得的信号可视化。研究者实现的这个工作频率足够高，使用射频识别，其中基载波频率为6.78兆赫或13.56兆赫，可以用于软传感器和电致变色显示器像素的无线操作。这是通过合理的材料设计和设备工程相结合实现的。具体来说，研究者开发了一种可伸缩的阳极、阴极、半导体和集流器，能够满足对高频操作的严格要求。这项工作，是实现类皮肤样的可穿戴电子产品增强功能和能力的重要一步。
图1. 高频可伸缩二极管
图2. 基于AgNWs的可拉伸电流集电极的表征
图3. 可拉伸二极管的高频操作
图4. 一种无线可伸缩传感器和显示系统综上所述，通过材料和制造工艺设计，以及可伸缩半导体、阳极、阴极和集电极的开发，研究者成功地制造了高频、本质可伸缩二极管。研究者同时实现了良好的可拉伸性和电气性能，这对高频二极管的操作和其他类型器件的开发至关重要，包括可拉伸发光器件、光伏器件和晶体管。此外，研究者实现了一种基于皮肤的无线可伸缩系统，通过显示像素来可视化传感器的信号。预期未来，研究者的内在可伸缩二极管，将有助于实现未来的无线和高速、皮肤样的个人保健系统，用于预防医学和远程医疗。据悉，这是继2021年7月2日的Science之后，鲍哲南院士再登Nature！作者简介鲍哲南，1970年出生于中国南京，化学家，中国科学院外籍院士，美国国家工程院院士 ，美国艺术与科学学院院士，斯坦福大学化学工程系教授。1987年鲍哲南考取南京大学化学系；1995年获得美国芝加哥大学化学系博士学位后进入了贝尔实验室任职；2001年获得贝尔实验室杰出研究人员称号；2004年进入斯坦福大学化学系任教;2007年获得斯坦福大学工程教学女教师优秀奖;2010年底作为创办人之一的C3Nano公司在美国硅谷成立；2011年获得影响世界华人大奖；2015年被选为《自然》杂志年度十大人物；2016年当选美国国家工程院院士；2017年获得世界杰出女科学家成就奖 。鲍哲南一直致力于化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学等领域的研究，研究领域涉及能源、有机和高分子半导体材料、传感材料和分子电子器件、纳米电子学 。据悉，前不久，即2021年11月18日，2021两院院士增选当选名单公布，鲍哲南、张亚勤等人入选了外籍院士。至此，鲍哲南已成为三院院士。据不完全统计，2021年至今，鲍哲南院士就已在包括Nature、Science、Proceedings of the National Academy of Sciences、JACS、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Electronic Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、Nature Energy、Nature Electronics、Angewandte Chemie International Edition等期刊上，发表多篇文章，引用次数高达76002。文献信息Matsuhisa, N., Niu, S., O’Neill, S.J.K. et al. High-frequency and intrinsically stretchable polymer diodes. Nature 600, 246–252 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04053-6
