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2018年，鮑哲南團隊在柔性電子領域實現了制造工藝的飛躍，首次成功開發出更易量產的高密度、高靈敏度可拉伸晶體管陣列（OTFT），這一成果在電子皮膚等研究中具有突破性意義。

經過近四年的工作，今日該團隊再次在高性能可拉伸顯示器和電子皮膚領域取得重大突破：他們報告了一種材料設計策略和制造工藝，實現了具有高亮度（約 7,450 坎德拉每平方米）、電流效率（約 5.3 坎德拉每安培）和可拉伸（約 100% 應變）的全聚合物發光二極管。研究團隊進一步制造了紅色、綠色和藍色的可拉伸全聚合物發光二極管，實現了皮膚上的無線供電和脈沖信號的實時顯示。 這項工作標志著高性能可拉伸顯示器取得了長足的進步。相關研究成果以題為“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilutio”發表在最新一期《Nature》上，第一作者為張智濤。

【材料設計與力學性能】

目前的可拉伸發光裝置大部分是用無機材料制成的，要么需要高電壓，要么可拉伸性、明亮度、分辨率都會在壓力下受限。為解決這個問題，研究團隊描述了可拉伸全聚合物發光二極管（APLED）的設計和制作流程。他們利用發光層與軟彈性體自發相分離形成的納米限制發光聚合物結構的策略，同時實現了增強的拉伸性和充電傳輸。此外，該可伸縮發光層與具有適當界面修飾的透明可伸縮高導電聚合物電極相結合，實現了亮度大約可達7,450 cd m-2、應變可伸縮約100% 的可伸縮APLED，總模量約為1 MPa (圖1a)。具體而言，作者利用超黃(SY)作為發光聚合物和聚氨酯(PU)作為軟彈性基體(圖1b)，與SY納米纖維的均勻混合物在旋涂薄膜上均勻分布(縱向和橫向)(圖1c，d)。共振軟x射線散射(R-SoXS)與掠入射x射線衍射(GIXD)結果表明SY薄膜具有較低的結晶度和面向取向，較短的π-π距離和較大的相干長度可以促進更好的電荷輸運，這可能有利于共混物的亮度（圖1e-f）。

圖1g-j表明薄膜拉伸性能得到了提高，這可歸因于軟聚氨酯彈性體的加入，由于聚氨酯彈性體與 SY 之間的自發相分離，降低了整體膜模量，促使 SY 形成滲濾型納米纖維結構。所得到的多色發光薄膜經氧等離子體刻蝕后均表現出很高的延展性，并且在放置在手臂或手指上時能夠承受反復的變形(圖1k-n)。

圖 1. 自發形成的各種顏色的納米纖維發光結構，用于增強發光共軛聚合物薄膜的拉伸性。

【材料的電子與光學性能】

較高數量的聚氨酯被觀察到給予較高的光致發光量子效率（PLQE 值）(圖2a)，聚氨酯數量導致器件的性能變化啟發作者：共混物可能受益于減少陷阱輔助的非輻射過程（圖2b-c）。隨著應變的增加，PLQE、電荷載流子輸運密度(包括電子和空穴)、亮度和電流密度都增加(圖2f-h)，這是由于聚合物的取向和薄膜在應力作用下的垂直方向上的密度增加，這兩者都有助于提高電荷和激子輸運。

圖 2.電荷俘獲稀釋效應增強可拉伸發光共軛聚合物薄膜的電子和光學性能。

【器件電極制備】

為了制備可伸縮的APLED，還需要高導電率的透明可伸縮的陽極和陰極。作者采用聚(3,4-乙撐二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鈉(PEDOT:PSS)、聚輪烷(PR)三種物質，然后利用波長為365nm的光源進行光交聯后，PEDOT:PSS/PR電極成為溶劑不溶性的，PEDOT納米纖維被鎖定在交聯PR網絡中，同時具有高的拉伸性、導電性、透明性和器件加工性（圖3a-c）。5% PR 的加入使薄膜的總彈性模量從2.6 GPa 降低到790MPa(圖3d)。PEDOT:PSS/PR電極也表現出較低的應變靈敏度(圖3e)，而在550nm波長處，經甲醇后處理的電極具有高達92%左右的透過率(圖3f)。這種薄膜隨后被用于可伸縮的PLED制造。

圖 3. 高導電性和高度可拉伸的 PEDOT:PSS/PR 電極。

【應用】

研究團隊通過材料選擇與器件過程優化相結合，制造出了高性能的可伸縮APLED（圖4a、4b）。APLED 可以拉伸到100% 應變，同時保持其均勻性和明亮的發光。與之前報道的所有可拉伸 PLED 相比，APLED 表現出最高的亮度（圖 4f、4g）。 此外，該器件結構可以擴展到制造具有不同顏色或陣列的 APLED，同時保持它們對機械變形的抵抗力，包括彎曲和拉伸（圖 4h）。

圖 4. 本質上適用于可穿戴應用的可拉伸、低模量和高性能的 APLED 和具有不同顏色的 APLED 陣列。

【總結】

通過合理的材料工程和優化的器件制造，作者同時實現了可拉伸和高效的 APLED。 這項工作提供了一種幫助改善視覺人機界面的方法，并為下一代可拉伸光電設備面向未來的皮膚電子和生物電子應用奠定了基礎。