Science Advances：超柔韧有机光子皮肤

【背景介绍】高分子发光二极管（PLEDs，polymer light-emitting diodes）是由剑桥大学的杰里米伯勒德及其同事首先发现的。1990年，英国剑桥大学的Friend研究小组首先利用聚对苯乙炔(PPV)制作PLEDs器件，14 V电压下发出黄绿色光，开创了聚合物电致发光材料研究的新时代。PLEDs是一种自发光显示材料，具有超轻、超薄、亮度高、功耗低、抗震性能优异、可弯曲、制造成本低等优点，具有很好的应用前景。

【摘要】本研究报道了超薄、超柔、高性能的高分子发光二极管和有机光电探测器（OPDS，organic photodetectors），具有很薄的保护层，可以佩戴在皮肤上。装置的总厚度仅仅3μm，比人体的表皮层还有薄一个数量级。通过将红色和绿色的PLEDs与OPDs整合在一起，制备了超柔反射式脉搏血氧仪。将该装置贴到手指上既可实现对人体血氧浓度的测定。皮肤上的七段数码显示和颜色指标可以直接使数据在身体上可视化。

【结果与讨论】

图1. 健康监测传感器，显示器和超柔PLEDs组成的智能电子皮肤系统。

（A）光电子皮肤系统的示意图。（B）贴在手指上的超柔有机光学传感器。 （C）人脸上的东京大学的蓝色和两色图案照片。亮度可以由操作电压来改变。（D）红色七段PLEDs的照片。

图2. 超柔PLEDs 和 OPDs的性能(所有的测量都在空气中进行)。

（A）超柔PLED的结构。保护层是由交替的有机(500nm厚的聚对二甲苯)和无机层(200nm厚的氮氧化硅)组成。看着有很多层组成，其实制备工艺很\比较简单，就像刷漆一样层一层的刷上去，“刷漆”只是比喻。薄膜加工的方法有旋涂法，，喷墨打印，蒸镀和印刷等，工艺还是比较简单的。（B）弄皱的超柔绿色PLED的图片。表示其柔韧性特别好，可以弯曲变形。（C）OPD（黑线）的量子效率和蓝色（蓝线）、绿色（绿线）和红色（红线）的PLEDs的标准的场致光致发光光谱。

(D)超柔PLEDs的电流密度依赖性的量子效率性能。插图给出了超柔PLEDs的L-V曲线（E）独立的超柔的OPD的图片。（F）在模拟的太阳光下，OPD的光强依赖性的J-V性能。红，橙，绿，浅蓝，蓝，紫，灰色和黑色分别代表1000，706，502，400，297，199，和99 W/m2和黑暗条件下的光强度。（G）用模拟太阳光测量得到的超柔OPD的特征。OPD (红色)光强依赖性的 Voc 和OPD (绿色)光强依赖性的 Jsc 。

表1. 电流效率，操作电压，色度坐标，以及三色的PLEDs的最大的量子效率。

图3. 超薄光学器件极大的柔韧性的演示。

（A）贴到预拉伸弹性体上的超薄红色PLED图像。该图像从右侧向左表示从皱巴巴的状态到平坦状态的转变。 （B）起皱状态的PLED的三维图像。预拉伸值为60％。 （C）绿色PLED的循环拉伸测试。1000次拉伸循环试验后，光强度是只下降了10％。充分展示了其柔性，可拉伸变形，是柔性器件必备的技能。（D）皱纹状态下的OPD的开路电压。插图显示了平整和压缩的OPD。 （E）OPD的循环拉伸测试。经过300拉伸循环测试，特性没有任何下降。黑色圆圈和红色三角形分别表示VOC和JSC。插图给出了OPD的J-V特性（点线，黑暗状态;实线，绿色照射）。黑色和红色线分别表示初始状态和300次拉伸循环后的状态。

图4. 超柔有机脉搏血氧仪。

（A）脉搏血氧仪的装置结构。（B）反射式脉搏血氧仪工作原理。（C）当被绿色PLED照射时，OPD的光强度依赖性的J-V特性。 （D）当红色PLED照射时，OPD的光强度依赖性的J-V特性。  （E）脉冲波的长期测量。脉冲波是用一个红色的PLED和OPD测量。（F）PPG信号的空气稳定性。 PPG信号是使用红色的PLED和OPD测定。 （G）从OPD输出的血氧浓度为99％的信号。绿色和红色的线分别代表当在绿色和红色PLEDs工作信号。 （H）从OPD输出的血氧浓度为90％的信号。绿色和红色的线分别代表当在绿色和红色PLEDs工作信号。

【总结】该研究中的超薄有机光学系统是超柔有机光学器件的一个代表。随着技术的进一步发展，超柔有机光学器件将会迎来光明的应用前景。

该成果近期发表在Science Advances 上，论文链接：Ultraflexible Organic Photonic Skin（非原网页读者，请到材料牛下载）

该文献解读由材料人科普团队学术组CrazySnail投稿，材料牛编辑整理。

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