梳理：鲍哲南院士研究进展精选
人物简介：
鲍哲南，女，1970年出生于中国南京，化学家，美国国家工程院院士，斯坦福大学化学工程系教授。1987年鲍哲南考取南京大学化学系；1995年获得美国芝加哥大学化学系博士学位后进入了贝尔实验室任职；2001年获得贝尔实验室杰出研究人员称号；2004年进入斯坦福大学化学系任教；2007年获得斯坦福大学工程教学女教师优秀奖；2010年底作为创办人之一的C3Nano公司在美国硅谷成立；2011年获得影响世界华人大奖；2015年被选为《自然》杂志年度十大人物；2016年当选美国国家工程院院士；2017年获得世界杰出女科学家成就奖。
鲍哲南院士课题组的研究范围包括化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学，有机和高分子半导体材料、传感材料、有机半导体晶体管、有机太阳能电池、电子纸、人工电子皮肤。因在人工电子皮肤领域做出了重大贡献，被称为“人工电子皮肤”之母。
为方便大家快速预览近年来鲍哲南院士和他的研究团队的科研成果，小编汇总了在材料人上宣传过的成果：
发表的论文：
PNAS:用于生物学电生理记录的导电软微柱电极阵列
在斯坦福大学鲍哲南教授和崔便晓副教授团队（共同通讯作者）带领下，开发了一种高导电性、水稳定性、生物相容性、类似生物组织的杨氏模量的水凝胶:导电水凝胶（ECH）。在这项工作中，团队使用该材料制作3D，基于水凝胶的软微柱电极阵列（ECH-MEAs），用于单细胞，细胞膜外电生理记录。观察到柔软的软微柱电极跟随心肌细胞的收缩-松弛周期弯曲，从而最大限度地减少了对细胞自然、有节奏的收缩的任何障碍。为了制备ECH-MEA，使用用电离子液体改性的聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）ECH作为电极材料。60个ECH微柱被光刻成图案阵列，每个ECH微柱直径为3μm。每个微柱可独立寻址，并通过印刷电路板连接到多通道电生理系统。相关成果以题为“Soft conductive micropillar electrode arrays for biologically relevant electrophysiological recording”发表在了PANS上。
文献链接：Soft conductive micropillar electrode arrays for biologically relevant electrophysiological recording（PANS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1810827115）
Adv. Funct. Mater.：聚合物半导体的机械性能和电子性能如何尽可能兼得
斯坦福大学的鲍哲南教授（通讯作者）、Jaewan Mun（第一作者）在著名学术期刊Adv. Funct. Mater.上发表了题为Effect of Nonconjugated Spacers on Mechanical Properties of Semiconducting Polymers for Stretchable Transistors的文章。该文研究了柔性程度、长度不同的3种非共轭隔离链段，发现更长的、柔性程度更高的非共轭隔离链段能提高聚合物半导体的韧性，降低聚合物半导体的弹性模量，同时聚合物半导体的迁移率没受到很大的影响，同时用最合适的聚合物半导体制备了可完全拉伸的晶体管。上述结果表明了在共轭聚合物中引入非共轭隔离链段能有效地调控机械性能，同时不会显著地牺牲电子性能。
文献链接：Effect of Nonconjugated Spacers on Mechanical Properties of Semiconducting Polymers for Stretchable Transistors（Adv. Funct. Mater. 2018，DOI: 10.1002/adfm.201804222 ）
Nat. Nanotech.：电子皮肤
2018年8月20日，美国斯坦福大学的鲍哲南教授（通讯作者）与Donghee Son、Jiheong Kang和Orestis Vardoulis（共同第一作者）在国际顶级综合性期刊Nat. Nanotech.上发表了文章：An integrated self-healable electronic skin system fabricated via dynamic reconstruction of a nanostructured conducting network。本文报道了能够监视生理信号并通过用户和电子设备之间的闭环通信显示反馈信息的电子皮肤设备将用于下一代可穿戴设备和“物联网”。这种装置需要超薄的构造以实现与人体的无缝和保形接触，从而适应来自重复运动的应变并且佩戴舒适。最近，自修复化学推动了可变形和可重构电子器件的进步，特别是可自修复的电极系统。在之前的研究中，与具有自修复动态性质的聚合物基材不同，遭到破坏的导电网络在损坏后不能恢复其可拉伸性。在这里，本文报道了当与动态交联的聚合物网络接触时导电纳米结构的自重建与自修复。这与自修复聚合物的自粘合性质相结合，允许随后的互连、传感器和发光装置的异构多组件装置集成到单个多功能系统中。这一首款自主自修复和可拉伸的多组件电子皮肤为未来强大的电子设备的发展铺平了道路。
文章链接：An integrated self-healable electronic skin system fabricated via dynamic reconstruction of a nanostructured conducting network. (Nat. Nanotech., DOI: 10.1038/s41565-018-0244-6)
JACS：具有可拉伸，抗撕裂和自我修复的四重氢键交联超分子聚合物薄膜电极材料
斯坦福大学鲍哲南院士和 新加坡南洋理工大学 陈晓东（共同通讯作者）课题组在JACS上发表了题为“Quadruple H-Bonding Cross-Linked Supramolecular Polymeric Materials as Substrates for Stretchable, Antitearing, and Self-Healable Thin Film Electrodes” 的文章。研究团队报道了通过缩聚的超分子聚合物材料的从头化学设计，其由软聚合物链（聚四亚甲基二醇和四甘醇）和强而可逆的四重氢键交联剂（0至30摩尔％）。前者有助于形成SPM的软区域，后者为SPM提供理想的机械性能，从而生产柔软，可拉伸但又坚韧的弹性体。观察到所得到的SPM-2具有高度可拉伸性（高达17000％应变），韧性（断裂能〜30000J / m2）和自修复性，这是非常理想的性能，并且优于先前报道的弹性体和强韧的水凝胶。此外，沉积在该SPM基底上的金薄膜电极保持其导电性，并将高拉伸性（〜400％），断裂/缺口不敏感性，自修复和与金膜的良好界面粘合性结合。同样，这些性能与常用的基于聚二甲基硅氧烷的薄膜金属电极都是高度互补的。最后，研究人员继续通过肌电图信号的体内和体外测量来证明我们制造的电极的实际效用。从调查这些SPM获得的这一基本理解将促进智能软材料和柔性电子产品的发展。
文献链接： Quadruple H-Bonding Cross-Linked Supramolecular Polymeric Materials as Substrates for Stretchable, Antitearing, and Self-Healable Thin Film Electrodes（JACS，2018，DOI: 10.1021/jacs.8b01682 ）
nature：基于本征可拉伸晶体管阵列可扩展制备工艺的类皮肤电子器件
斯坦福大学鲍哲南教授研究团队开发了可对不同本征可拉伸材料实现高成品率和器件性能均匀的制备工艺，并实现了晶体管密度为347/ cm2的内在可拉伸聚合物晶体管阵列，这是迄今为止在所有已报道的柔性可拉伸晶体管阵列中的最高密度。该阵列的平均载流子迁移率可与非晶硅相当，在经过1000次100%应变循环测试后也只有轻微改变，同时，还无电流-电压迟滞。
基于上述制造工艺，该团队首次研发出皮肤一样属性的可拉伸集成电路元件，如有源阵列与传感器阵列集成的可拉伸触觉电路，可粘附到人体皮肤表面，使柔性电子装置佩戴或使用更加舒适。其所开发的工艺为结合其他内在可拉伸聚合物材料提供了一个通用加工平台，使制造下一代可拉伸类皮肤电子器件成为可能。
文献链接：Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array（Nature, 2018, DOI:10.1038/nature25494）
Nature Energy：坚韧导电的高体积和高面积容量二维MOFs材料
来自斯坦福大学的鲍哲南教授课题组联合斯德哥尔摩大学和阿贡国家实验室在著名Nature子刊Nature Energy上发表题为” Robust and conductive two-dimensional metal organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance”的文章。该文章报道了一种设计具有氧化还原活性的导电MOF材料用于超级电容器方法，这种MOF的容量由赝电容贡献，而不是电双层电荷。为了增加氧化还原活性中心，选取了超小的HAB(hexaaminobenzene)连接体构筑导电MOF。HAB连接体与d8和d9直角-平面配位几何的金属种类一致，因而产生了亚纳米孔。这一特性产生了高体积和大面积电容，能用于亚毫米厚度的电化学电容器。
文献链接：Robust and conductive two-dimensional metal organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance(Nature Energy: 10.1038/s41560-017-0044-5)
Adv. Energy Mater:了解低聚聚苯乙烯侧链分布排列对全聚合物太阳能电池性能
来自斯坦福大学的鲍哲南教授(通讯作者)团队在Advanced Eenergy Materials上发表了一篇题为“Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance”的文章，文中报道了该研究团队有关光敏层中聚合物的分子形态对全聚合物太阳能电池性能影响的最新研究成果。在该文中，低聚聚苯乙烯(PS)侧链引入共轭主链被证明可以增强半导体聚合物的加工性和电子性能。研究者制备两种具有不同摩尔百分比的PS侧链的给体和受体聚合物，以研究阐明它们的取代分布排列对于全聚合物太阳能电池性能的影响。当PS侧链在给体聚合物上被取代时，观察到的电池器件性能较低，当PS侧链在受体聚合物上被取代时，观察到的电池器件性能较高。研究表明，将PS侧链引入受体聚合物有助于共混聚合物膜中相分离畴尺寸的降低，然而减小的畴尺寸仍然比典型的激子扩散长度大一个数量级。详细的分子形态学研究以及原始PS、给体和受体聚合物的溶解度参数的估计显示，每个组分的溶解度的相对值主要对相分离结构域的纯度有正向作用，这强烈影响了光电流的的数量和太阳能电池的整体性能。
文献链接：Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance (Adv. Energy Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701552)
PNAS: 生物相容并完全可分解的半导体聚合物在超薄超轻瞬态电子器件中的应用
来自斯坦福大学的鲍哲南教授（通讯作者）等人报道了一种生物相容并完全可分解的半导体聚合物，并将其应用在了超薄超轻的瞬态电子器件中，相关的研究成果以“Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics”为题发表在了Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。
本文研究的半导体聚合物完全可降解并具有生物兼容性，可用于薄膜晶体管中。这种聚合物由可逆的亚胺键连接，其组成部分可以在温和的酸性条件下轻易分解。此外，超薄、可生物降解并具有较高化学和热稳定性的衬底也被开发出来。结合铁电极，文中也成功制备出了完全可降解和生物兼容性的聚合物晶体管和赝互补金属氧化物半导体（pseudo-CMOS）柔性电路。这种赝互补金属氧化物半导体柔性电路具有超薄和超轻的特点，其开路电压低，并有望应用于低成本、生物兼容以及超轻的瞬态电子器件中。本文是有机材料领域的重要进展，能够广泛应用于环境友好并可降解的电子器件中。
文献链接：Biocompatible and totally disintegrable semiconducting polymer for ultrathin and ultralightweight transient electronics（P. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1701478114）
Science Advances：具有高度延展性、透明度的导电聚合物
来自斯坦福大学的鲍哲南（通讯作者）等人提出了一种得到高度延展性和导电性的PEDOT薄膜的新方法，其表现出了很高的循环稳定性。相关的研究成果以“A highly stretchable, transparent, and conductive polymer”为题发表在了2017年3月10日的Science Advances上。
先前在可延展电子器件上的重大突破都来源于应变工程和纳米复合物的研究。对于本身就具有延展性的分子材料的研究鲜有报道。本文对具有高度延展性的导电聚合物进行了研究，其特性通过与一系列增强剂相结合实现，这些增强剂具有双重功能：可以改变形貌和充当PEDOT:PSS（聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸）中的导电性增强掺杂剂。与先前报道的具有最佳性能的PEDOT:PSS相比，实验中的聚合物薄膜在0%应变下导电率为3100S/cm，100%应变下为4100 S/cm，在已报道的可延展导体中其导电率最高。其在100%应变下经过1000次循环仍能保持3600S/cm的导电率。在600%的应变下，其导电率仍能保持100S/cm以上。此外，其断裂应变高达800%，远超最好的银纳米线、碳纳米管基可延展导电薄膜。优异的电学和机械性能的结合使得其能够作为场效应晶体管阵列间互连的媒介，这比传统的平板印刷波浪互联下的器件密度提高了五倍。
文献链接：A highly stretchable, transparent, and conductive polymer（Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1602076）
Science ：基于纳米限域的高伸缩性聚合物半导体薄膜
斯坦福大学鲍哲南教授（通讯作者）和三星先进技术研究院的Jong Won Chung（通讯作者）等人通过探索基于聚合物的纳米限域的概念，以显着地改善聚合物半导体的拉伸性，而不影响电荷传输迁移率。在纳米限域下增加的聚合物链动力学显着降低共轭聚合物的模量，并大大延迟在应变下的裂纹形成的开始。基于上述原理，他们制备的半导体膜可以拉伸到100％应变，而不影响迁移率，保持值与非晶硅相当。他们展示的完全可拉伸的晶体管表现出高的双轴拉伸性，即使用锋利的物体戳刺时，导通电流的变化也很小，此外，他们还展示了一个皮肤般的手指可穿戴的发光二极管驱动。
文献链接：Highly stretchable polymer semiconductor films through the nanoconfinement effect（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aah4496）
Nature：用于有机晶体管的本征可拉伸和可愈合半导体聚合物
美国斯坦福大学鲍哲南（通讯作者）研究组2016年11月17日报道了一种本征可拉伸半导体聚合物的设计，引入化学基团促进共轭聚合物的动态非共价键交联。当产生应变时，这些非共价交联部分能够通过断裂键而经历能量耗散机制，保持较高的电子迁移能力（超过1 cm2 V−1s−1）。结果显示在百分之百的应变之下，该半导体聚合物的场效应迁移率能依旧维持1.12 cm2 V−1s−1 。
文献链接：Intrinsically stretchable and healable semiconducting polymer for organic transistors（Nature, 2016, doi:10.1038/nature20102）
ACS Nano：可伸缩全碳碳晶体管在可伸缩电子器件应用中限制因素的研究
斯坦福大学鲍哲南教授（通讯作者）在ACS Nano发表了“Investigating Limiting Factors in Stretchable All-Carbon Transistors for Reliable Stretchable Electronics” 的文章。研究人员设计和构建了由SWNT半导体电极和非极性弹性体电介质组成的可伸缩晶体管。非极性弹性体电介质的使用可有效改善器件的无滞后特性。与SiO2介质器件相比，非极性电介质可伸缩器件在环境条件下因没有掺杂水而表现出较低的移动率。通过使用不同SWNT源作半导体，研究SWNT带隙对器件特性的影响。大带隙SWNT表现出由电介质的低电容引起阱缺陷。相比之下，基于较小带隙的SWNT大电流器件则受到接触电阻的限制。在所有SWNT测试源中，最大直径为1.5 nm的SWNT可伸缩晶体管具备最佳性能，其迁移率为15.4 cm2/Vs，开/关比> 103。大带隙器件对应力具有更高的灵敏度，且依赖于电介质的厚度；而接触受限器件则明显表现出较小的应力依赖性。
文献链接：Investigating Limiting Factors in Stretchable All-Carbon Transistors for Reliable Stretchable Electronics（ACS Nano 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02458）
Adv. Funct. Mater.：电场调控用于分子排列及溶液剪切涂覆的有机半导体薄膜的电学性质
来自斯坦福大学的鲍哲南教授和Michael F. Toney博士（共同通讯）等人以“Electric Field Tuning Molecular Packing and Electrical Properties of Solution-Shearing Coated Organic Semiconducting Thin Films”为题在Advanced Functional Materials上发表文章，研究了电场对分子排列的调控和溶液剪切涂覆的有机半导体薄膜的电学性质。
最近在溶液涂覆有机半导体中的研究进展证明了其在廉价有机电子器件和传感器领域具有很高的应用潜力。其中分子的排列直接决定着固体中电荷的传输。实验中利用电场对溶液剪切涂覆的有机半导体的晶体排列进行了很好的调控。研究中首先提出了基于介电泳的理论模型用以指导选择电场的最优条件（频率和振幅），并将最优条件应用在溶液剪切涂覆有机半导体薄膜的过程中。随后得到了电场诱导的同时具有人形结构和二维砖墙结构填充图案的同质多晶。实验表明，最佳的分子排列具有更高的载流子迁移率。
文献链接：Electric Field Tuning Molecular Packing and Electrical Properties of Solution-Shearing Coated Organic Semiconducting Thin Films（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605503）
综述文章：
Nature Materials综述：义肢用电子皮肤的探索
斯坦福大学鲍哲南教授（通讯作者）等人在Nature Materials上发表的题为“Pursuing prosthetic electronic skin”的综述系统介绍了用于模仿皮肤感知和产生仿生信号的材料选择与电子器件的设计进展。该综述通过对真实皮肤的感官和传感机制的研究、柔性仿皮肤材料的机械性能、如何塑造皮肤感知功能、感知信号编码处理和中枢神经感知机制等方面介绍了实现人造电子皮肤所面临的问题与攻克方法。
文献链接：Pursuing prosthetic electronic skin (Nature Materials, 2016, doi:10.1038/nmat4671)
往期汇总回顾：
钙钛矿太阳能电池图鉴——2018年度ESI高被引论文中的钙钛矿太阳能电池汇总
本文由材料人编辑部编辑。
欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.
投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.
文章评论(0)