新加坡国立大学欧阳建勇团队SmartMat：本征导电聚合物在柔性电子中的应用

文章信息

Jianyong Ouyang*. Application of intrinsically conducting polymers in flexible electronics. SmartMat. 2021.

https://doi.org/10.1002/smm2.1059

文章摘要

本征导电聚合物，如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）（PEDOT），由于具有许多独特的优点，包括高导电率、高机械柔韧性、低成本和良好的生物相容性，因此它们在柔性电子器件和系统中会有很重要的应用。高导电率和适当的机械性能尤其重要。一些本征导电聚合物的电导率可以通过后处理来提高，即所谓的“二次掺杂”。具有高导电率的导电聚合物薄膜可用作柔性电极，甚至可用作光电器件的柔性透明电极。本征导电聚合物也可以用作可拉伸电极，这需要他们有很高的机械拉伸性。本征导电聚合物的机械拉伸性可以通过与软聚合物共混或增塑来提高。由于其良好的生物相容性，本征导电聚合物经修饰后可用为生物电势干电极和神经接口。此外，它们也可用为医疗保健监测用的应变传感器的活性材料。并且，把本征导电聚合物加入到淀粉类食品中的话，其电阻在食物加工过程中比如发酵、蒸煮、储存和保鲜等会由于体积的改变而发生变化，因此可用于监测食品加工过程。这篇文章综述了本征导电聚合物的所有这些应用。

图文导读

由于结合了金属和塑料的优点，本质导电聚合物在柔性电子器件和系统中具有重要的应用价值，如柔性电极(特别是光电子器件的透明电极)、可拉伸电极、干生物电位电极、神经界面、以及用于健康监测和食品加工监测的应变传感器。

图1. (A)具有PBDB‐T‐2Cl:IT‐4F有源层的柔性OSCs的原理结构和有源材料的化学结构。(B) OSCs材料的能量水平。(C)以D‐葡萄糖、D‐蔗糖、D‐葡萄糖或D‐麦芽糖在PET上作为透明电极处理PSS (PH1000)的柔性OSCs电流密度(J)‐电压(V)曲线。(D)柔性OSCs的光伏效率。

图2. (A)软机器人结构示意图。(B)对称模态和非对称模态的有限元模拟。(C)(左)软件机器人的平移运动和(右)旋转。(D)区域应变随介质弹性体驱动器电压的变化。插图显示了在电压下执行器的膨胀情况。虚线圈用于指示驱动区域。(E) VHB薄膜、PET框架、透明软机器人执行机构的透射率。

图3. (A)照片显示了PWS薄膜对各种皮肤的粘附性，包括光滑皮肤、粗糙皮肤、变形的湿皮肤、拉伸的猪皮肤。(B)复制粗糙皮肤表面的PWS薄膜的横截面扫描电镜图像。(C)在干、湿皮肤上使用商业Ag/AgCl凝胶电极和PWS干电极的阻抗谱，以及(D)在10、100和1000 Hz下的相应阻抗。

图4. (A)三层应变传感器结构示意图和(B)三层应变传感器照片。监测(C)膝关节，(D)手指，(E)肘关节和(F)手掌的关节运动。

图5. (A)原始状态下的小麦面团，发酵和蒸熟的照片。(B)淀粉/PEDOT:PSS面团在发酵过程中的体积膨胀照片。(C)淀粉/PEDOT:PSS面团抗性变化随长度变化的变化。(D)淀粉/PEDOT:PSS面团在蒸制过程中电阻(R/R0)和体积(V/V0)的演变。(D)蒸煮过程中，淀粉/PEDOT:PSS面团及其附近流室的温度。

作者简介

欧阳建勇，教授，分别于清华大学，中国科学院化学所和日本分子科学研究所获得学士，硕士和博士学位。他现任职于新加坡国立大学材料科学与技术系，其研究团队主要集中在柔性电子材料和器件，包括本征导电聚合物、半导体聚合物、共轭有机化合物和纳米复合材料。主要研究成果包括发明了世界上第一个（聚合物/纳米离子）忆阻存储器(2004)，世界上第一个（离子/电子）混合热电转换器 (2020), 世界上第一个可粘附的本征导电聚合物(2020)，发现了光增强塞贝克效应(2021)，世界上第一次把柔性应变传感器用于食品加工监测(2021)，发明了多种方法来提高导电聚合物的电导率和热电性能和离子导体的热电性能并多次刷新了可溶液加工的导电聚合物的电导率，聚合物的热电性能和离子导体的热电性能的世界记录。在国际著名期刊发表200多篇论文，总引用>20,000次，平均每篇论文引用100次。