《星球大战》中， Luke Skywalker的机械手拥有完整的感觉能力，能够非常灵敏地感觉到外界压力。30年过去了，电影中的画面几近成为现实，电子皮肤正在成为未来电子工业发展的一个重要方向和趋势。在柔性电子器件领域，不得不提科研女神鲍哲南，她是柔性电子领域的领军人物，斯坦福大学首位华人院长、美国工程院院士、未来科学大奖科学委员会委员，这一系列头衔足以说明她的学术能力与学术地位。
2018年，鲍哲南团队在柔性电子领域实现了制造工艺的飞跃，首次成功开发出更易量产的高密度、高灵敏度可拉伸晶体管阵列（OTFT），这一成果在电子皮肤等研究中具有突破性意义。
经过近四年的工作，今日该团队再次在高性能可拉伸显示器和电子皮肤领域取得重大突破：他们报告了一种材料设计策略和制造工艺，实现了具有高亮度（约 7,450 坎德拉每平方米）、电流效率（约 5.3 坎德拉每安培）和可拉伸（约 100% 应变）的全聚合物发光二极管。研究团队进一步制造了红色、绿色和蓝色的可拉伸全聚合物发光二极管，实现了皮肤上的无线供电和脉冲信号的实时显示。 这项工作标志着高性能可拉伸显示器取得了长足的进步。相关研究成果以题为“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilutio”发表在最新一期《Nature》上，第一作者为张智涛。
【材料设计与力学性能】
目前的可拉伸发光装置大部分是用无机材料制成的，要么需要高电压，要么可拉伸性、明亮度、分辨率都会在压力下受限。为解决这个问题，研究团队描述了可拉伸全聚合物发光二极管（APLED）的设计和制作流程。他们利用发光层与软弹性体自发相分离形成的纳米限制发光聚合物结构的策略，同时实现了增强的拉伸性和充电传输。此外，该可伸缩发光层与具有适当界面修饰的透明可伸缩高导电聚合物电极相结合，实现了亮度大约可达7,450 cd m-2、应变可伸缩约100% 的可伸缩APLED，总模量约为1 MPa(图1a)。具体而言，作者利用超黄(SY)作为发光聚合物和聚氨酯(PU)作为软弹性基体(图1b)，与SY纳米纤维的均匀混合物在旋涂薄膜上均匀分布(纵向和横向)(图1c，d)。共振软x射线散射(R-SoXS)与掠入射x射线衍射(GIXD)结果表明SY薄膜具有较低的结晶度和面向取向，较短的π-π距离和较大的相干长度可以促进更好的电荷输运，这可能有利于共混物的亮度（图1e-f）。
图1g-j表明薄膜拉伸性能得到了提高，这可归因于软聚氨酯弹性体的加入，由于聚氨酯弹性体与 SY 之间的自发相分离，降低了整体膜模量，促使 SY 形成渗滤型纳米纤维结构。所得到的多色发光薄膜经氧等离子体刻蚀后均表现出很高的延展性，并且在放置在手臂或手指上时能够承受反复的变形(图1k-n)。
图 1. 自发形成的各种颜色的纳米纤维发光结构，用于增强发光共轭聚合物薄膜的拉伸性。
【材料的电子与光学性能】
较高数量的聚氨酯被观察到给予较高的光致发光量子效率（PLQE 值）(图2a)，聚氨酯数量导致器件的性能变化启发作者：共混物可能受益于减少陷阱辅助的非辐射过程（图2b-c）。随着应变的增加，PLQE、电荷载流子输运密度(包括电子和空穴)、亮度和电流密度都增加(图2f-h)，这是由于聚合物的取向和薄膜在应力作用下的垂直方向上的密度增加，这两者都有助于提高电荷和激子输运。
图 2.电荷俘获稀释效应增强可拉伸发光共轭聚合物薄膜的电子和光学性能。
【器件电极制备】
为了制备可伸缩的APLED，还需要高导电率的透明可伸缩的阳极和阴极。作者采用聚(3,4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT:PSS)、聚轮烷(PR)三种物质，然后利用波长为365nm的光源进行光交联后，PEDOT:PSS/PR电极成为溶剂不溶性的，PEDOT纳米纤维被锁定在交联PR网络中，同时具有高的拉伸性、导电性、透明性和器件加工性（图3a-c）。5% PR 的加入使薄膜的总弹性模量从2.6 GPa 降低到790MPa(图3d)。PEDOT:PSS/PR电极也表现出较低的应变灵敏度(图3e)，而在550nm波长处，经甲醇后处理的电极具有高达92%左右的透过率(图3f)。这种薄膜随后被用于可伸缩的PLED制造。
图 3. 高导电性和高度可拉伸的 PEDOT:PSS/PR 电极
【应用】
研究团队通过材料选择与器件过程优化相结合，制造出了高性能的可伸缩APLED（图4a、4b）。APLED 可以拉伸到100% 应变，同时保持其均匀性和明亮的发光。与之前报道的所有可拉伸 PLED 相比，APLED 表现出最高的亮度（图 4f、4g）。此外，该器件结构可以扩展到制造具有不同颜色或阵列的 APLED，同时保持它们对机械变形的抵抗力，包括弯曲和拉伸（图 4h）。
图 4. 本质上适用于可穿戴应用的可拉伸、低模量和高性能的 APLED 和具有不同颜色的 APLED 阵列。
【总结】
通过合理的材料工程和优化的器件制造，作者同时实现了可拉伸和高效的 APLED。 这项工作提供了一种帮助改善视觉人机界面的方法，并为下一代可拉伸光电设备面向未来的皮肤电子和生物电子应用奠定了基础。
