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目前，可拉伸有机电化学晶体管（OECTs）在拉伸性和电性能平衡上存在挑战。研究人员开发了基于半导体聚合物凝胶活性层和聚（离子液体）离子凝胶电解质的全凝胶 OECTs。该成果平衡了拉伸性和电性能，为高性能柔性电子提供新策略。
在科技飞速发展的当下，柔性电子领域正经历着一场变革。从贴合人体的可穿戴设备，到能灵活感知环境的电子皮肤，再到模拟人类智能的神经形态系统，柔性电子的应用场景不断拓展。其中，可拉伸有机电化学晶体管（OECTs）因其独特性质备受关注，它能在极端变形条件下工作，为柔性电子设备的创新设计带来可能。然而，当前 OECTs 在实际应用中面临着严峻挑战。一方面，已报道的可拉伸 OECTs 跨导有限，导致放大能力和电化学性能受限；另一方面，那些具有高跨导的 OECTs 往往拉伸性差、抗疲劳性低，难以同时兼顾高拉伸性和优异电性能，这成为了该领域发展的瓶颈。
为突破这一困境，同济大学的研究人员开展了深入研究。他们致力于开发高性能的可拉伸全凝胶 OECTs，期望通过创新的材料和结构设计，实现拉伸性和电性能的良好平衡。研究成果发表在《Nature Communications》上，为柔性电子领域带来了新的曙光。
在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：首先是材料制备技术，通过自由基聚合等方法制备了半导体聚合物凝胶和聚（离子液体）（PIL）离子凝胶，分别作为 OECTs 的活性层和电解质；其次，运用多种结构表征技术，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）等，对凝胶的结构和性能进行深入分析；最后，借助各类性能测试技术，像半导体分析仪测试 OECTs 的电学性能、通用测试机研究凝胶的力学性能等，全面评估所制备器件的性能。
研究结果如下：
- 制备与结构性能：通过自由基聚合制备了具有双网络结构的 PEDOT:PSS/PAM 有机水凝胶作为活性层，以及 PIL 离子凝胶作为电解质。FTIR 和 XPS 分析表明，成功合成了目标凝胶，且其结构与预期相符。同时，这些凝胶展现出优异的拉伸性和弹性，PEDOT:PSS 基凝胶和 PIL 离子凝胶分别可拉伸至少 200% 和 400% 不断裂，压缩 80% 后能恢复原状，在多次拉伸 - 释放和压缩 - 解压循环中保持稳定的电学性能123。
- 全凝胶 OECTs 性能：研究发现，活性层厚度和 PEDOT:PSS 含量对全凝胶 OECTs 的电性能有显著影响。当活性层厚度为 1.8μm 时，器件的跨导（gm,max）达到 86.4 mS，为已报道的可拉伸 OECTs 中最高，同时具有高达1.2×105的开 / 关比、7118.6μFV?1s?1的μCs值和5.7cm2V?1s?1的迁移率（μ）。此外，该全凝胶 OECTs 拉伸性高达 50%，在 30% 应变下循环拉伸 10000 次仍保持稳定，具有良好的开 / 关循环稳定性和环境稳定性456。
- 压力敏感电子皮肤：基于全凝胶 OECTs 的高跨导和拉伸性，构建了具有金字塔形微结构表面的离子凝胶电解质层，制备出高灵敏度的可拉伸压力传感器。该传感器检测限低至 0.1 Pa，能实时准确检测压力刺激，且在拉伸 30% 时仍保持稳定响应。由其组成的 4×4 压力传感器阵列制成的电子皮肤，可精准感知物体位置和形状，在机器人、仿生手等领域展现出巨大应用潜力789。
- 人工突触：全凝胶 OECTs 可模拟生物突触行为，作为可拉伸人工突触。当施加VG脉冲时，能产生类似兴奋性突触后电流（EPSC）的响应，且在拉伸 30% 时 EPSC 几乎不变，具有高拉伸稳定性。同时，还能模拟成对脉冲易化（PPF）行为，以及学习 - 遗忘 - 再学习过程，为神经形态模拟提供了新的途径101112。
- 气体传感器：利用全凝胶 OECTs 对气体的传感能力和类似生物突触的离子 - 电子转导特性，检测有毒有害气体。以NH3检测为例，该气体传感器检测限低至 1 ppm，对不同浓度NH3响应明显，具有良好的选择性、拉伸稳定性和弯曲性，可用于食品质量监测和模拟人类嗅觉感知过程131415。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功开发了高性能、可拉伸的全凝胶 OECTs，其基于离子凝胶电解质和半导体聚合物凝胶活性层的全凝胶网络结构，有效促进了离子渗透和传输，实现了半导体的高效掺杂。这种全凝胶 OECTs 在拉伸性和电性能之间达到了优异的平衡，其跨导比现有最先进的可拉伸 OECTs 高约 4 - 10 倍，压力传感器检测限低于以往报道，气体传感器具备多种优良特性，这些都是传统 OECTs 难以企及的。该研究为高性能可拉伸晶体管的设计提供了新思路，有望在柔性电子、传感器、逻辑电路、医疗保健、人机界面等众多领域得到广泛应用。未来，研究人员将进一步探索不同结构和半导体的全凝胶 OECTs，拓展其在生物传感等更多领域的应用，为柔性电子领域的发展注入新的活力。
