介紹一位柔性電子大牛!引用次數超過35000,h因子80+

Takao Someya教授，柔性電子領域全球領先的三位大牛之一（其他兩位分別為John Rogers教授與鮑哲南教授），東京大學電氣與電子工程系教授、普林斯頓大學的全球學者、NEDO/JAPERA項目負責人和JST/ERATO項目的研究主任。Takao Someya教授的研究方向包括有機電晶體，柔性電子，塑料集成電路，大面積傳感器以及塑料執行器。目前，其團隊主要關注的研究主題為有機器件在生物醫學領域的應用。通過利用有機器件的柔韌性和有機分子的獨特功能，將生物體與電子設備協調、融合，並開發出生物有機設備。值得關注的是，其團隊已經成功研製出世界上最輕、最薄的柔性集成電路，發光器件和有機太陽能電池，並在可穿戴電子產品中實現應用。截至目前，Takao Someya教授和他的研究團隊在Nature，Science等知名期刊上共計發表高水平學術論文80餘篇，累計引用次數超過35000，h因子80。

Takao Someya教授

在這裡，我們回顧了近幾年Takao Someya教授研究團隊發表在Nature、Science及其子刊上的部分研究工作，主要包括以下兩個部分：

1、高性能有機（光）電電晶體器件

2、柔性電子器件在生物醫學領域的應用

【高性能有機（光）電電晶體器件】

1、Science:長程結構完整的有機薄膜合成策略

具有高度定向、無邊界的有機薄膜可以應用於各種高性能有機材料和器件中。然而，有機小分子的自組裝通常是通過成核-生長機制進行的，組成分子一旦形成，就很難進行大規模的重新排列。原則上，由有機小分子構成的無邊界薄膜需要單點位成核，且在整個薄膜中重複這個結構。這一過程對構造微米級別內結構完整的有機薄膜造成了巨大的障礙。針對這一問題，東京大學的Takao Someya團隊，利用空間填充設計，依靠二維（2D）triptycene有機小分子材料獨特的六方嵌套堆疊的結構，通過真空蒸發、旋塗冷卻的方法，實現了釐米級別長程結構完整的大面積分子膜的製備。X射線衍射分析和顯微鏡觀察表明，triptycene分子形成了完全定向的2D（六邊形triptycene陣列）+ 1D（層層疊加）結構，這是結構有序的長程傳播的關鍵。

圖1 空間填充設計的幾何模型與化合物示意圖

2、Nature Nanotechnology:少層分子膜實現柔性電子器件性能大提升

在有機電子學領域，通過與無機基底（金屬或金屬氧化物等）表面的元素共價結合形成自組裝單層膜，從而降低基底表面的表面能，促進高質量有機晶體的生長，是一種常用的提高目標器件性能的方法。然而，對於柔性的聚合物基底而言，其表面由無定向的聚合物鏈組成，沒有特定的錨點與自組裝分子相結合，無法形成單分子層，大大降低了柔性電子器件的性能。針對這一問題，東京大學的Takao Someya團隊製備了獨特的paraffinic triptycene材料，即使在基底表面沒有特定錨點的情況下，其自身獨特的六方嵌套堆疊的結構也能夠組裝成緻密、定向的薄膜。此外，該材料層層堆疊的特性為薄膜的厚度控制提供了便利。通過採用這一種材料對柔性的聚合物基底進行表面功能化，能夠顯著提升後沉積的有機半導體材料的結晶度，從而大大提升有機電晶體器件的整體性能，大大推進了高性能柔性有機集成電路的發展。該研究以題為「A few-layer molecular film on polymer substrates to enhance the performance of organic devices」的論文發表在《Nature Nanotechnology》上。

圖1 少層triptycene膜的結構

圖2 triptycene膜對有機電晶體器件性能的影響

3、Nature Communications:線性光響應的高增益雙柵極有機光電電晶體

在光電探測器中，光信號轉換為電信號是成像等一系列應用的關鍵過程。目前主要研究的光電探測器件主要分為光電二極體和光電電晶體器件。光電二極體器件由於缺乏內在的放大機制，通常需要外部電路提供信號放大器，以提高信號的完整性。而光電電晶體器件則可以簡化外部短路，其主要通過光電導增益為光生載流子（包括電子與空穴）提供內在放大，從而實現遠超100%的外部量子效率(external quantum efficiencies, EQE）。因此，即使是在輻照度低（次線性光響應）的弱光條件下，高增益（high gain）檢測也能夠實現。然而，在需要高解析度和定量的光檢測應用中，這種次線性的光響應反而會帶來極大的困擾，反而是能夠提供線性光響應的光電二極體器件更加實用。因此，為了綜合二者的優勢，東京大學的Takao Someya團隊製備了一種雙柵極的光電電晶體器件，在不需要外部電路的情況下，同時實現了傳統光電電晶體的高增益和光電二極體的線性光響應。此外，該器件還顯著的降低了光電電晶體的電噪聲，使得光檢測率（光探測器件的靈敏度）提高了三個量級以上。該研究以題為「Dual-gate organic phototransistor with high-gain and linear photoresponse」的論文發表在《Nature Communications》上。

圖1 光電二極體、光電電晶體與雙柵極光電電晶體器件

圖2 雙柵極有機光電電晶體器件的光探測性能

【柔性電子器件在生物醫學領域的應用】

1、Nature:納米光柵實現自供電超柔性生物傳感器

柔性可穿戴電子器件具備了質輕、可貼合皮膚以及能承受力學變形等特點，逐漸受到人們的青睞。尤其是在生物醫學方面，需要能夠精確連續的監測血壓、心率等身體健康信號，而摒棄外部電源或複雜的電路設計。目前自供電功能的主要解決方案為柔性光伏器件，包括在物體周圍的超柔性有機電源已經在以往的靜態測試中證明了其良好的機械性和熱穩定性。然而，這些電源在機械變形和角度變化的情況下輸出功率極不穩定。此外，在製造電源與傳感器的集成電路時，有必要將溫度與能量最小化，避免對器件的功能層和聚合物基底造成破壞。

有鑑於此，東京大學的Takao Someya團隊發展了一種基於納米光柵圖案的自供電生物傳感器件，實現了對小白鼠心率的實時精確監測。其中，納米光柵圖案加速了電子的傳遞，提升了光電轉換的效率，同時還削弱了入射光的反射，確保了器件性能不受光照角度的影響。活體測試表明，由於避免了外部電源連接導致的信號波動，該自供電器件監測的心率信號靈敏度為常規測試方法的3倍以上。該工作為下一代柔性自供電可穿戴電子器件的發展指明了新方向，並以題為「Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics」的論文發表在《Nature》上。

圖1 有機光伏器件的納米光柵結構

圖2 心臟信號的實時精確監測

2、Science Advances:可拉伸多電極陣列實現心電圖信號高精度監測

多電極陣列（multielectrode array, MEA）已經被用來研究細胞的位置、神經信號的傳播和多個神經元之間的神經網絡、以及醫療診斷方面。最早報導的是在平板玻璃上製作體外MEA，並用於測試心臟和大腦切片之間的信號傳播。近年來，基於柔性基底的無創體內MEA技術發展迅速，能夠接觸柔軟且移動的活體組織。由於生物體內結構複雜（如大腦褶皺），因此有必要對裝置的柔韌性進行進一步的優化。此外，對正在跳動的心臟進行心電圖測量，就要求設備具有高度的可伸展性來應對心臟搏動。更重要的是，通過在每個單元置入有源元件，（如有機電化學電晶體器件，OECT），MEA陣列能夠實現局部信號的放大和多重尋址，有助於對信號的精確監測。東京大學的Takao Someya團隊製備了4*4的可拉伸的網格狀有源OECT陣列，為了保證器件能夠在組織流血狀態下正常工作，採用PMC3A材料對陣列進行了封裝，電性能改變小於2%。實驗結果表明，該陣列直接接觸動態跳動的老鼠心臟，提供了信噪比達52 dB的心電圖。由於網格狀基底的高度一致性，記錄的數據中沒有出現因為心臟搏動而引起的偽噪聲，且能夠在流血的環境中長時間（一小時）的穩定工作。該研究以題為「Nonthrombogenic, stretchable, active multielectrode array for electroanatomical mapping 」的論文發表在《Science Advances》上。

圖1 基於多電極陣列的可拉伸OCET陣列

圖2 老鼠活體心臟信號記錄

3、Nature Nanotechnology:超柔性電子實現心肌細胞跳動的動態監測

在生物集成電子學中，為了儘量減少生物系統的固有運動對器件性能的影響，需要對器件的柔韌性和延展性等機械特性進行優化。迄今為止，多電極陣列等系統為柔性基底的柔性可拉伸電子器件提供了巨大的應用潛力，然而，在不影響細胞自然運動的情況下，通過電探針長時間的定量監測細胞的動態運動仍然是一個挑戰。心肌細胞對人體的重要性不言而喻，且心肌細胞一旦受損，後續生成的疤痕組織無法再與鄰近細胞通過電信號通訊實現同步收縮與擴張。在本文章，東京大學的Takao Someya團隊展示了一個能夠在不幹擾心肌細胞正常運動的情況下，持續採集細胞電信號的基於金納米網格的超柔性電子器件。由於金納米網格極為優異的柔性，附著在網格上的心肌細胞表現出與未附著細胞相似的收縮與擴張運動。該設備能夠在液體環境中穩定工作96小時以上，在20%的應變情況下也能夠保持基本的電學性能。當對細胞施加刺激時，能夠明顯的觀察到電信號的改變。該研究以題為「Ultrasoft electronics to monitor dynamically pulsing cardiomyocytes」的論文發表在《Nature Nanotechnology》上。

圖1 基於金納米網格的超柔的傳感器件

圖2 器件能夠持續穩定監測心肌細胞的電信號

4、Nature Biotechnology:邁向新一代智能皮膚

柔性電子學、微納製造技術、微型化技術以及電子皮膚技術等領域的迅猛發展極大的促進了可穿戴傳感器設備的進步。這些設備與人體皮膚高度契合，並密切相關，因而被稱為 「智能皮膚」。這一類設備為人類生物學的研究、身體各項信息的監測以及醫療上的檢查與治療提供了新的契機。東京大學的Takao Someya團隊綜述了最新的關於智能電子皮膚的研究。這類新一代的智能皮膚可以自癒合、可拉伸，可以被設計成人造傳入神經，甚至可以實現自供電。然而，儘管智能皮膚已經在上述幾個領域取得較大進展，仍然還有許多問題需要解決，包括：1、進一步減小設備的尺寸與幹擾；2、優化電池功率；3、提升設備穩定性與工作壽命；4、優化傳感器件的靈敏度和動態範圍；5、發展新的計算方法促進數據分析、數據安全；6、增強設備的生物相容性。更重要的是，未來對智能皮膚的探索需要包括材料學家、生物學家、信息學家、工程師以及臨床醫生等眾多領域的研究者之間進行緊密的合作以充分發揮它的潛力，才能推動其去實現更加廣泛的應用。該研究以題為「Toward a new generation of smart skins」的論文發表在《Nature Biotechnology》上。

圖1 人類皮膚結構

圖2 智能皮膚四種研究方向：新結構、多模傳感、多功能、新材料

5、Nature Electronics:用於生物認證及生命體徵測量的柔性傳感器

半導體成像器件的空間解析度和時間解析度的提高推動了生物醫學測量和診斷技術的進展。如螢光顯微鏡中的成像元件、內窺鏡以及X射線等。與此同時，半導體器件的小型化推動了可穿戴傳感成像元件的發展，使得器件直接接觸皮膚，從而持續監測重要的體徵成為可能。為了減少這種可穿戴傳感器受機械應力的影響，開發一種柔性成像儀是特別有意義的。目前，研究人員已經發明了柔性的高速有機光探測器件，用於測量脈搏等生命體徵。此外，用於指紋和血管測量的大規模光探測矩陣（254 ppi，每英寸254個單元器件）也已經成功實現。然而，要求柔性成像設備兼具高解析度和高速度仍然十分困難。東京大學的Takao Someya團隊將低溫多晶矽薄膜電晶體器件與高靈敏度的近紅外有機光電探測器件相集成，製備了一個兼具高解析度（508 ppi，每英寸508個單元器件）和高速度（41 fps，41幀每秒），且厚度僅有15μm的貼合式成像器件。該器件可以輸出不到10 pA的有效光電流，還可以通過與皮膚的接觸獲得靜態生物特徵信號，如指紋和血管信號等，並用于波形輸出。此外，得益於器件極高的測量精度，器件能夠以指紋等信號為基礎來選擇最佳的測量區域。該研究以題為「A conformable imager for biometric authentication and vital sign measurement」的論文發表在《Nature Electronics》上。

圖1 柔性成像器件的結構

圖2 柔性成像器件對血管和指紋信號的採集

6、Science Advances:傳感驅動系統輔助排尿

人造器官的發展,可以重現人體重要器官的功能，拓寬了疾病治療的途徑，增加了病人獲救的機會，對生物醫學領域意義十分重大。膀胱作為人體器官的重要性不言而喻。在儲存和排尿階段，膀胱的體積容量變化巨大。人類的膀胱可以擴大到其空狀態容量的5倍以儲存尿液。據報導，大約有80%的脊髓損傷病人存在著膀胱功能障礙。因此發展一種系統來模擬人類膀胱的功能十分有意義。此外，還可以用於輔助其他器官的蠕動，如食道、胃以及腸道等。東京大學的Takao Someya團隊將一個能夠對體積變化響應的柔性傳感器件與一個基於形狀記憶合金的執行器相集成，實現了提高膀胱排尿效率的傳感-驅動系統。該系統能夠實時的對膀胱進行監測，並通過強排空力的執行器進行排尿。系統對大鼠的膀胱儲存71%到100%尿液時的排尿作用顯示敏感度達到了0.7 μF/liter。這種傳感-驅動系統在血壓、心臟等器官的監測與控制方面有著巨大的應用潛力。該研究以題為「Soft sensors for a sensing-actuation system with high bladder voiding efficiency」的論文發表在《Science Advances》上。

圖1 傳感-驅動系統結構示意圖及生物體內工作性能表徵

7、Science Advances:超適形的納米網絡傳感器

超適形應變監測設備可以直接貼合在人體皮膚上進行持續的人體活動監測。目前已經廣泛應用於交互式機器人、人體運動檢測、個人健康監測和治療等領域。然而，在保證器件持續且有效監測人體運動的前提下，如何最大限度的避免傳感器件對皮膚本身的運動產生限制仍然面臨著巨大的挑戰。東京大學的Takao Someya團隊以靜電紡絲的聚氨酯納米纖維網絡（PU nanomesh）為基礎，製備出了一種極為輕薄、耐久的，對人體皮膚本身運動無幹擾的納米網絡應變傳感器。聚二甲基矽氧烷（PDMS） 對輕薄的PU納米纖維網絡具有加強作用，提高了整個網絡的強度及拉升性能。之後用雙面鍍金的方法得到了具有優良傳感性能（持續性，耐久性，和線性等待）的應變傳感器。該研究通過改變所用PDMS的濃度，可以製備出傳感性能可控的應變傳感器，用於表徵不同目的的監測。由於其及輕，薄，柔軟的特性，使得其對人體皮膚具有超強的親和能力，從而不限制人體皮膚本身的運動。該研究以題為「A durable nanomesh on-skin strain gauge for natural skin motion monitoring with minimum mechanical constraints」的論文發表在《Science Advances》上。

圖1 超適形納米網絡傳感器的器件結構

圖2 發音時，不貼傳感器（左臉）和貼了納米網絡傳感器（右臉）表現出相同的應變分布

來源：高分子科學前沿

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