In het laboratorium ontwikkelde polymeren van de volgende generatie moeten rekbaar en zelfherstellend worden om nieuwe huidachtige sensorische apparaten te vormen om te voldoen aan de eisen van futuristische elektronische huidtoepassingen. Hoewel onderzoekers opmerkelijke vooruitgang hebben geboekt in op de huid geïnspireerde elektronische materialen, het is een uitdaging om gewenste functies in een actieve halfgeleider op te nemen voor een betere detectie. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Jin Young Oh en een interdisciplinair onderzoeksteam van de faculteiten Chemische Technologie, Biomedisch onderzoek, Elektrotechniek, Materiaalwetenschap en werktuigbouwkunde in de VS en Zuid-Korea, ontwikkelde een spanningsgevoelige, rekbare en autonome zelfherstellende halfgeleiderfilm.

Ze ontwikkelden het nieuwe materiaal door een polymeerhalfgeleider en zelfherstellend elastomeer te mengen, dynamisch verknoopt met behulp van metaalcoördinatiebindingen. Jonge Oh et al. regelde de percolatiedrempel van de polymere halfgeleider om een ​​spanningsgevoelige film te vormen met een ijkfactor van 5,75 x 10 ⁵ bij 100 procent belasting tijdens rekbare overgang. De composietfilm was zeer rekbaar met een breukrek van meer dan 1300 procent en vertoonde autonome zelfgenezing bij kamertemperatuur. Het onderzoeksteam ontwikkelde vervolgens een geïntegreerde vijf-bij-vijf rekbare actieve matrix transistorsensorarray (elektronische huid) om de spanningsverdeling tijdens oppervlaktevervorming te detecteren.

Vooruitgang in rekbare elektronische materialen en apparaten hebben wetenschappers in staat gesteld om de zelfherstellende eigenschappen van de menselijke huid na te bootsen en de ontwikkeling van op de huid geïnspireerde apparaten te versnellen, zachte robots en biomedische apparaten. Materiaalwetenschappers kunnen rigide detectiemodules integreren in een ultradun platform met door spanning ontworpen ontwerpen om oppervlakken te construeren via transferprinten. Bio-geïnspireerde materialen kunnen ook worden gemaakt met een verbeterde gevoeligheid en compatibiliteit voor implantatie in het menselijk lichaam. Naast mechanische stimuli-modulatie om de elektronische huid (e-skin) functie weer te geven voor biomimetische sensorische functies van de menselijke huid.

Op transistorarray gebaseerde sensoren met actieve matrix kunnen hoogwaardige detectiesignalen leveren met verminderde overspraak tussen afzonderlijke pixels, waarbij elke pixel een sensor bevat die is verbonden met een transistor. Onderzoekers hadden eerder spanningstechniek gebruikt om stijve sensoren en transistors in rekbare, biomimetische systemen om patiënten met bewegingsstoornissen te helpen. Om mechanische mismatch tussen stijve en zachte componenten te elimineren; de sensoren en transistoren moeten intrinsiek rekbaar zijn. Een spanningsgevoelige transistor kan het fabricageproces vereenvoudigen om de mechanische robuustheid en conformeerbaarheid te verbeteren. Een extra zelfherstellend vermogen kan de voordelen van e-skin vergroten om een ​​langere levensduur te garanderen.

In het huidige werk, Jonge Oh et al. presenteerde een intrinsiek rekbare en zelfherstellende halfgeleidende film met spanningsgevoelig elektrisch gedrag opgenomen in een rekbare transistor. Ze versmolten twee materialen om een ​​halfgeleidende film te vormen door een polymeer halfgeleider en een isolerend elastomeer te mengen om de nieuwe eigenschap te demonstreren. Toen ze de metaalcoördinatiebindingen van het gesmolten materiaal verbraken, het construct kon spontaan reconstrueren om rekbaar, moeilijk, zelfherstellende eigenschappen aan de brosse halfgeleidende film.

Het elastomeer in de gemengde film behield een lage modulus om de externe mechanische belasting te absorberen om een ​​multifunctioneel elektronisch materiaal te ontwikkelen. De wetenschappers fabriceerden vervolgens een rekbare actieve matrix sensorische transistorarray, waar ze de halfgeleidende film integreerden, diëlektrische elektrode en verbinden met behulp van een transfer-printproces. De halfgeleider/diëlektrische interface van de sensorarray was waterdicht, zelfs na contact met kunstmatig zweet gedurende 15 uur. Jonge Oh et al. stel je voor dat de spanningsgevoelige, rekbare en zelfherstellende halfgeleider zal de standaard van e-skin veranderen voor uitgebreide toepassingen.

Het team ontwikkelde een composiet halfgeleidend materiaal zoals eerder ontwikkeld door dezelfde onderzoeksgroep. In dit werk, ze hebben de nieuwe composiet DPP-TVT-PDCA afgekort; waar ze poly (3, 6-di(thiofeen-2-yl)diketopyrrolo[3, 4-c]pyrrool-1, 4-dion-alt-1, 2-dithienyletheen) met 10 mol% 2, 6-pyridinedicarboxamine (PDCA) groepen.

Vervolgens combineerden ze PDCA met poly(dimethylsiloxaan-alt-2, 6-pyridinedicarbozamine) om het PDMS-PDCA-polymeer te vormen. Het PDCA-polymeer vormde metaal-ligandcoördinatiecomplexen (Fe(III)-PDCA) met meerdere dynamische bindingen en drie verschillende bindingssterkten om dynamische verknoping te vergemakkelijken, intrinsieke rekbaarheid en zelfgenezend vermogen. De wetenschappers demonstreerden Fe(III)PDCA-ligandbinding met PDMS-PDCA en DPP-TVT-PDCA in de blendfilm.

Ze optimaliseerden de veldeffectmobiliteit op de halfgeleiderfilm (DPP-TVT-PDCA) door verschillende verhoudingen van een elastomeer (PDMS-PDCA-Fe) te introduceren om een ​​gemengde film te vormen met een geoptimaliseerde gewichtsverhouding. Het resulterende halfgeleidende polymeer handhaafde redelijke mobiliteiten van ladingsdragers en vormde voldoende elektrische percolatiepaden. De gemengde film behield een hoge rekbaarheid, Poisson's ratio en Young's modulus vergelijkbaar met de menselijke huid en beter dan typische halfgeleidende polymeren. Reologische analyse van de gemengde film bij kamertemperatuur toonde aan dat het materiaal zich vergelijkbaar gedroeg als een vaste stof met metaal-ioncoördinatieverknoping. De glasovergangstemperatuur van het materiaal was vergelijkbaar met typisch PDMS-rubber.

Ze testten de rekbaarheid van de film met behulp van cyclische tests met herhaalde spanning, en schreef de waargenomen energiedissipatie toe aan Fe (III) -PDCA-coördinatiebindingsbreuk tijdens stressrelaxatie. Zelfs na het verlengen van de mengfilm tot meer dan 100 procent spanning, het herstelde tot zijn oorspronkelijke lengte na een uur rusten als gevolg van reorganisatie van polymeerketens. Het team karakteriseerde de morfologie en elektrische percolatie van de blendfilm met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie. Gevolgd door de elementen van het materiaal in kaart te brengen met behulp van energie-dispersieve röntgenspectroscopie om zwavel (S) te identificeren, silicium (Si) en ijzer (Fe) pieken. De resultaten wezen op een hoge gevoeligheid van het materiaal voor spanning, waar het elastomeer de uitgeoefende spanning absorbeerde terwijl het kristallijne gebied van de halfgeleidende film behouden bleef, om het voorgestelde uitrekmechanisme van de gemengde film mogelijk te maken.

Het onderzoeksteam testte het spanningsgevoelige ladingstransport van de halfgeleidende film met behulp van organische dunne-filmtransistoren (OTFT's) via transferprinten. Ze ontdekten geen nanoscheuren in de overgebrachte film met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM) om de mogelijkheid van mechanische schade als gevolg van spanning te elimineren. De wetenschappers verdampten toen goud, een elektrodemateriaal, op de mengfilm en zag dat de aan-stroom van de transistor afnam naarmate het percentage rek toenam. De ijkfactor was het hoogst bij 5,7 x 10 ⁵ bij 100 procent belasting, wat de hoogste waarde was die werd gerapporteerd voor halfgeleidende rekstrookjes, en vergelijkbaar met state-of-art, rekstrookjes op basis van geleiders. De apparaten vertoonden een volledig omkeerbaar stroom-spanningskarakter en herhaalbaar fietsgedrag, vergelijkbaar met de rekbaarheid van de menselijke huid.

Jonge Oh et al. verkreeg het unieke zelfherstellende kenmerk van e-skin door dynamische metaal-ligandcoördinatiebinding. Om het zelfgenezend vermogen te testen, ze snijden het materiaal (200 nm dik) bij kamertemperatuur, liet het 24 uur staan ​​en zag het litteken autonoom verdwijnen. De genezen film kan worden uitgerekt tot meer dan 200 procent spanning voordat deze breekt. Toen ze de elektrische eigenschappen van de genezen halfgeleidende film testten met behulp van een zachte contactmethode in OTFT, ze herstelden de veldeffectmobiliteit van het genezen materiaal. Ter vergelijking, het snijden van een halfgeleidend materiaal zonder zelfherstellende eigenschappen behield geen transistorachtig stroom-spanningsgedrag.

Om nieuw ontwikkeld halfgeleidend materiaal voor e-skin-toepassingen mogelijk te maken, Jonge Oh et al. vervaardigde een vijf-bij-vijf volledig rekbare, spanningsgevoelige actieve matrix transistorarray. Voor deze, ze bouwden een zeer rekbare en geleidende verbinding met behulp van een elektrode gemaakt van zeer geleidend rekbaar goud (Au) en een polystyreenelastomeer voor meervoudige scans met hoge snelheid zonder signaalvertraging of verlies binnen de actieve matrix-architectuur. Om de mechanische betrouwbaarheid van de elektrode te bevestigen, voerden ze herhaalde cyclische tests uit van maximaal 100 cycli onder 50 procent belasting en behaalden superieure prestaties. Het apparaat vertoonde reversibele spanningsgevoelige operaties om volledig te herstellen naar de oorspronkelijke staat na het loslaten van de spanning.

Voor e-skin-toepassingen van de rekbare spanningssensorarray, de wetenschappers verlaagden de bedrijfsspanning van het apparaat van -60 tot -5 volt voor duurzaamheid op lange termijn en medische veiligheid. Ondanks de laagdrempelige spanning, het apparaat was gevoelig voor uitgeoefende spanning. Waterdichte prestaties waren een prioriteit om apparaatstoringen te voorkomen bij contact met door de menselijke huid gegenereerd ionisch zweet; die ze bereikten met behulp van een elastomeer om de vijf-bij-vijf sensortransistorreeks te passiveren tegen zweet, gevolgd door onderdompeling in kunstmatig zweet gedurende 15 uur. Het monolithische detectiesysteem kan e-skin-vervorming in 3D in kaart brengen in een vereenvoudigd fabricageproces, het combineren van een sensor- en transistorarchitectuur in één apparaat. De onderzoekers "prikten" de e-skin om de huidige veranderingen van de actieve matrixsensorarray te kwantificeren en simuleerden de uitgeoefende spanning met behulp van eindige-elementenmethoden.

Op deze manier, Jin Young Oh en collega's presenteerden een benadering om spanningsgevoelige, rekbare en zelfherstellende halfgeleiderfilms om huidachtige actieve matrix-reksensorarrays te vormen. Het samengestelde netwerk van materialen zorgde voor spanningsgevoeligheid voor de gemengde film. Door de coördinatie van de metaalliganden kon de halfgeleider zeer rekbaar zijn en automatisch herstellen bij kamertemperatuur. Met behulp van de halfgeleidende film, de onderzoekers ontwikkelden een e-skin die door druk veroorzaakte vervorming detecteerde, naast visualisatie van de toegepaste spanning. De synthetische e-skin was volledig geneesbaar en in staat om te werken binnen een medisch veilige spanning, met potentieel om high-k diëlektrische materialen op te nemen na verdere optimalisatie.

© 2019 Wetenschap X Netwerk