研發(fā)新型雙聚合物半導(dǎo)體涂層，既能擴(kuò)大尺寸又能保持導(dǎo)電性為盡可能避免電子污染而努力

“當(dāng)年鮑哲南在南大讀書時(shí)，她的老師是薛奇，多年后我的老師也是薛奇。后來，我博士期間到斯坦福大學(xué)鮑哲南課題組做了三個(gè)月訪問學(xué)生。從南大畢業(yè)后，我再次來到鮑哲南課題組，這一次是做博士后。等于我和哲南從同門校友變成了師生，”這是跨越三代人的師生情，故事的主角是來自江蘇連云港的科學(xué)家徐潔。

圖 | 徐潔（來源：受訪者）

徐潔生于 1988 年，今年 33 歲，目前是阿貢實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，前不久上榜了 2021 年度全球 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”，上榜理由是“為類膚質(zhì)電子設(shè)備制作出了持久耐用、易于生產(chǎn)的聚合物半導(dǎo)體材料”。

具體來說，針對(duì)可打印、可延展的電子設(shè)備，她研發(fā)出一種能量產(chǎn)的半導(dǎo)體材料。這項(xiàng)創(chuàng)新成就的關(guān)鍵之處在于，她發(fā)明出了即使在折疊、扭轉(zhuǎn)或拉伸的狀態(tài)下也能保持正常工作的聚合物電路。

此前這種可拉伸電路的研發(fā)一直受限于材料，直到幾年前，徐潔研發(fā)出這樣一種雙聚合物半導(dǎo)體涂層，不僅能把原本尺寸擴(kuò)展兩倍，還能保持材料原有導(dǎo)電性。

該成果的論文，于 2017 年發(fā)表在 Science，題目為《通過納米約束效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高可拉伸性聚合物半導(dǎo)體薄膜》（Highly stretchable polymersemiconductor films through thenanoconfinement effect）。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science）

這篇論文的主要亮點(diǎn)在于解決了材料方面的限制，沒有半導(dǎo)體一切電子電路都無從談起。而傳統(tǒng)半導(dǎo)體主要以硅為材料，但是硅非常脆弱，幾乎不能承受機(jī)械形變。盡管在彎曲性能上，半導(dǎo)體高分子比硅晶體表現(xiàn)更佳，但要想達(dá)到橡膠一樣的彈性，仍舊非常困難。

因?yàn)檫@會(huì)面臨材料結(jié)構(gòu)上的限制，高性能半導(dǎo)體材料一般要具備高致密、高規(guī)則度的晶體排布，但從材料的基本力學(xué)特性上來說，這種排布方式無法承受大規(guī)模形變。

此前無法攻克這一難題的原因在于，當(dāng)時(shí)尚無任何半導(dǎo)體材料能在提供實(shí)際應(yīng)用所需要的電學(xué)特性的前提下，達(dá)到與人體緊密結(jié)合所需要的彈性形變能力。

為解決上述難題，徐潔和團(tuán)隊(duì)運(yùn)用高分子納米受限效應(yīng)，使高分子半導(dǎo)體內(nèi)部的分子鏈交互作用的狀態(tài)、以及排列狀態(tài)產(chǎn)生巨變。同時(shí)這一變化，還不會(huì)影響高分子半導(dǎo)體的電學(xué)特性。

在此情況下，高分子半導(dǎo)體依然具備和硅半導(dǎo)體一樣的電學(xué)特性，但材料長度卻是原來的兩倍。這種彈性形變能力，會(huì)給拓展器件功能提供更多可能性。

關(guān)于導(dǎo)電原理，徐潔告訴 DeepTech，硅是最常見的半導(dǎo)體材料，但它是無機(jī)的，做薄的時(shí)候雖然可以彎曲、但是稍微拉伸下就會(huì)斷裂。

生活中常見的可拉伸材料是橡膠，比如女孩用的皮筋，這是一種聚合物材料，之所以能拉伸，是因?yàn)橥〕叨葋碇v，其內(nèi)部就像平時(shí)吃的米線和粉絲一樣，多數(shù)呈現(xiàn)無順序的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，因此即使被拉伸也不會(huì)斷掉，這便是聚合物材料的彈性性能。

如果半導(dǎo)體材料想實(shí)現(xiàn)這種力學(xué)上的彈性，那么就要考慮如何讓導(dǎo)電性能在聚合物中實(shí)現(xiàn)。

圖 | 高度可拉伸的聚合物半導(dǎo)體膜原理圖 （來源：Science）

在聚合物材料中，有一種特殊的材料叫共軛高分子。與普通橡膠材料不同的是，共軛高分子的分子鏈的結(jié)構(gòu)，能讓電子在聚合物分子鏈中傳輸，如此一來聚合物就能用來做半導(dǎo)體材料。

然而，為了實(shí)現(xiàn)高分子鏈的良好導(dǎo)電性，這種共軛高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)往往比較硬，因此不能像橡膠那樣拉很長。而徐潔的貢獻(xiàn)在于，將聚合物材料和另一種橡膠材料混合，形成了一種納米受限態(tài)的形貌，從而發(fā)明了可拉伸半導(dǎo)體材料。

圖 | 徐潔的畢業(yè)博士論文（來源：資料圖）

事實(shí)上，在南大讀書期間，她研究的正是不導(dǎo)電的橡膠和塑料，而徐潔的畢業(yè)博士論文，則是研究納米尺度下面高分子鏈的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。

去斯坦福大學(xué)做博后研究時(shí)，她把博士期間基礎(chǔ)科學(xué)的研究成果，用在了導(dǎo)電的高分子材料中，即把納米受限效應(yīng)用在其中，讓共軛高分子的分子鏈變得更容易變形，更容易拉伸。據(jù)她介紹這種方法如果用于工業(yè)制備也很便宜。

在 2017 年成果的基礎(chǔ)上，她又改進(jìn)了成果，相關(guān)論文于 2019 年發(fā)表在 Nature Materials，論文題為《高可拉伸性聚合物半導(dǎo)體薄膜中的多尺度排序》（Multi-scale ordering in highly stretchable polymer semiconducting films）。

在此前成果中，聚合物的電學(xué)性能只跟無定型硅的差不多。2019 年，她優(yōu)化了制備方法，使用卷到卷（roll-to-roll，R2R）的方法，即可大規(guī)模生產(chǎn)半導(dǎo)體膜，半導(dǎo)體傳輸?shù)男室部商岣?3-6 倍。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature）

她說這種方法有兩大好處：一是可以大尺度生產(chǎn)；二是讓高分子聚合物取向，提高了電學(xué)性能。

2017 年發(fā)明此前材料時(shí)，她用的是旋轉(zhuǎn)涂膜的方法，旋轉(zhuǎn)涂膜只能涂在小尺度的襯底上，如果想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，就得用更有效率的方法，比如前文的卷到卷方法。

卷到卷的涂膜法，就像用一個(gè)不斷出墨的毛刷在紙上一直涂，并且在涂膜過程中有一個(gè)方向的剪切力，這樣涂出來的高分子聚合物就會(huì)全部取向。

就像撒在桌子上的筷子，它們是隨意排列的，而梳理之后，筷子就會(huì)更整齊，導(dǎo)電也會(huì)更順利。

該工藝的好處在于可以大規(guī)模生產(chǎn)半導(dǎo)體膜，成本也很低，因?yàn)楦叻肿油繉又挥袔资畟€(gè)納米厚，所以一克重量的樣品可以涂一間房子那么大的膜。

（來源：Nature）

徐潔表示，本征可拉伸的材料被發(fā)明以后，就不會(huì)犧牲柔性器件的密度。無機(jī)材料或者有機(jī)小分子材料，一般要用蒸鍍法、或者納米刻蝕法，而這種材料能用溶液去涂膜，因此成本更低。

另據(jù)悉，此項(xiàng)發(fā)明已申請(qǐng)專利，共有七八位斯坦福研究人員參與上述研究。除此以外，也有外部企業(yè)對(duì)該項(xiàng)目提供了資金支持和人員支持。

概括來說，徐潔的多項(xiàng)突破性成果都能應(yīng)用于柔性電子設(shè)備、可穿戴技術(shù)、先進(jìn)機(jī)器人以及人機(jī)接口技術(shù)等領(lǐng)域。

對(duì)于芯片制造來說，材料起著承上啟下的作用。要把一個(gè)材料吃透，或者提供出在性能上有突破的材料設(shè)計(jì)，需要對(duì)基礎(chǔ)物理和基礎(chǔ)化學(xué)，有非常深入的理解。 另一方面，材料作為重要的技術(shù)支撐，可以成為芯片研發(fā)的核心突破口。

對(duì)于很多材料學(xué)家來說，要想把研究真正做得可以解決實(shí)際問題，就不能局限于做出新材料本身，而是在研究立項(xiàng)時(shí)就從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，去尋找到當(dāng)前應(yīng)用最需要解決的技術(shù)瓶頸。

事實(shí)上，并非材料做出來、發(fā)了論文就萬事大吉，科學(xué)家最好也參與到應(yīng)用過程中。因?yàn)樵趹?yīng)用過程中，還會(huì)發(fā)現(xiàn)新的問題，只有憑借這些反饋，才能進(jìn)一步去優(yōu)化材料的設(shè)計(jì)，從而把材料和技術(shù)真正結(jié)合起來。

現(xiàn)在，徐潔在阿貢實(shí)驗(yàn)室納米中心的研究，也延續(xù)了上述工作，該中心既自己做科研，也會(huì)提供給其他科研院所儀器。

就做科研來說，在高校和在阿貢實(shí)驗(yàn)室基本是一樣的。不過在這里她不需要上課，但可以招聘博后一起做研究。

圖 | 徐潔（來源：資料圖）

通過在這里的工作，她一是想提高導(dǎo)電聚合物的性能，二是讓導(dǎo)電聚合物具有更多的新的性能。

她說，以后的高分子絕緣體、高分子半導(dǎo)體、高分子導(dǎo)體，在柔性電子器件中的使用量都會(huì)非常大。當(dāng)前，我們都知道塑料污染很嚴(yán)重，但電子器件的污染也很嚴(yán)重。

而現(xiàn)在人類在大量發(fā)展柔性器件，因此科學(xué)家需要思考的是，十年后電子污染會(huì)和塑料污染一樣成為很嚴(yán)重的問題嗎？所以她現(xiàn)在的工作，不僅要提高導(dǎo)電聚合物性能，還要研究使用之后、如何處理相關(guān)電子污染。

目前徐潔正在尋找能循環(huán)利用或者可被生物降解的聚合物半導(dǎo)體材料。她表示：“我認(rèn)為，無論要制造何種類商業(yè)化材料，都必須從一開始就抱著這樣的想法?！?/p>

如今的她的科學(xué)之路“鮮花初綻”，而種子發(fā)芽還要從本科說起。本科時(shí)，徐潔在南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的基礎(chǔ)學(xué)科拔尖班讀書，當(dāng)時(shí)班里只有四個(gè)女生。畢業(yè)后她直博來到薛奇教授課題組讀博士，南京大學(xué)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷給她夯實(shí)了高分子理論知識(shí)。

在徐潔讀博期間，薛奇老師給了她很多學(xué)習(xí)交流的機(jī)會(huì)，比如在國內(nèi)外會(huì)議上做報(bào)告、參與國際交流訪問等。這些極大地開拓思路她的科研思路。談及未來，她表示高分子會(huì)給未來的電子器件帶來更多新功能和新應(yīng)用。