南大校友科学家攻克半导体拉伸难题，1克高分子涂层铺满一间房

研发新型双聚合物半导体涂层，既能扩大尺寸又能保持导电性为尽可能避免电子污染而努力

“当年鲍哲南在南大读书时，她的老师是薛奇，多年后我的老师也是薛奇。后来，我博士期间到斯坦福大学鲍哲南课题组做了三个月访问学生。从南大毕业后，我再次来到鲍哲南课题组，这一次是做博士后。等于我和哲南从同门校友变成了师生，”这是跨越三代人的师生情，故事的主角是来自江苏连云港的科学家徐洁。

图 | 徐洁（来源：受访者）

徐洁生于 1988 年，今年 33 岁，目前是阿贡实验室的科学家，前不久上榜了 2021 年度全球 “35 岁以下科技创新 35 人”，上榜理由是“为类肤质电子设备制作出了持久耐用、易于生产的聚合物半导体材料”。

具体来说，针对可打印、可延展的电子设备，她研发出一种能量产的半导体材料。这项创新成就的关键之处在于，她发明出了即使在折叠、扭转或拉伸的状态下也能保持正常工作的聚合物电路。

此前这种可拉伸电路的研发一直受限于材料，直到几年前，徐洁研发出这样一种双聚合物半导体涂层，不仅能把原本尺寸扩展两倍，还能保持材料原有导电性。

该成果的论文，于 2017 年发表在 Science，题目为《通过纳米约束效应实现的高可拉伸性聚合物半导体薄膜》（Highly stretchable polymersemiconductor films through thenanoconfinement effect）。

图 | 相关论文（来源：Science）

这篇论文的主要亮点在于解决了材料方面的限制，没有半导体一切电子电路都无从谈起。而传统半导体主要以硅为材料，但是硅非常脆弱，几乎不能承受机械形变。尽管在弯曲性能上，半导体高分子比硅晶体表现更佳，但要想达到橡胶一样的弹性，仍旧非常困难。

因为这会面临材料结构上的限制，高性能半导体材料一般要具备高致密、高规则度的晶体排布，但从材料的基本力学特性上来说，这种排布方式无法承受大规模形变。

此前无法攻克这一难题的原因在于，当时尚无任何半导体材料能在提供实际应用所需要的电学特性的前提下，达到与人体紧密结合所需要的弹性形变能力。

为解决上述难题，徐洁和团队运用高分子纳米受限效应，使高分子半导体内部的分子链交互作用的状态、以及排列状态产生巨变。同时这一变化，还不会影响高分子半导体的电学特性。

在此情况下，高分子半导体依然具备和硅半导体一样的电学特性，但材料长度却是原来的两倍。这种弹性形变能力，会给拓展器件功能提供更多可能性。

关于导电原理，徐洁告诉 DeepTech，硅是最常见的半导体材料，但它是无机的，做薄的时候虽然可以弯曲、但是稍微拉伸下就会断裂。

生活中常见的可拉伸材料是橡胶，比如女孩用的皮筋，这是一种聚合物材料，之所以能拉伸，是因为往小尺度来讲，其内部就像平时吃的米线和粉丝一样，多数呈现无顺序的网络状结构，因此即使被拉伸也不会断掉，这便是聚合物材料的弹性性能。

如果半导体材料想实现这种力学上的弹性，那么就要考虑如何让导电性能在聚合物中实现。

图 | 高度可拉伸的聚合物半导体膜原理图 （来源：Science）

在聚合物材料中，有一种特殊的材料叫共轭高分子。与普通橡胶材料不同的是，共轭高分子的分子链的结构，能让电子在聚合物分子链中传输，如此一来聚合物就能用来做半导体材料。

然而，为了实现高分子链的良好导电性，这种共轭高分子材料的化学结构往往比较硬，因此不能像橡胶那样拉很长。而徐洁的贡献在于，将聚合物材料和另一种橡胶材料混合，形成了一种纳米受限态的形貌，从而发明了可拉伸半导体材料。

图 | 徐洁的毕业博士论文（来源：资料图）

事实上，在南大读书期间，她研究的正是不导电的橡胶和塑料，而徐洁的毕业博士论文，则是研究纳米尺度下面高分子链的动力学效应。

去斯坦福大学做博后研究时，她把博士期间基础科学的研究成果，用在了导电的高分子材料中，即把纳米受限效应用在其中，让共轭高分子的分子链变得更容易变形，更容易拉伸。据她介绍这种方法如果用于工业制备也很便宜。

在 2017 年成果的基础上，她又改进了成果，相关论文于 2019 年发表在 Nature Materials，论文题为《高可拉伸性聚合物半导体薄膜中的多尺度排序》（Multi-scale ordering in highly stretchable polymer semiconducting films）。

在此前成果中，聚合物的电学性能只跟无定型硅的差不多。2019 年，她优化了制备方法，使用卷到卷（roll-to-roll，R2R）的方法，即可大规模生产半导体膜，半导体传输的效率也可提高 3-6 倍。

图 | 相关论文（来源：Nature）

她说这种方法有两大好处：一是可以大尺度生产；二是让高分子聚合物取向，提高了电学性能。

2017 年发明此前材料时，她用的是旋转涂膜的方法，旋转涂膜只能涂在小尺度的衬底上，如果想实现大规模生产，就得用更有效率的方法，比如前文的卷到卷方法。

卷到卷的涂膜法，就像用一个不断出墨的毛刷在纸上一直涂，并且在涂膜过程中有一个方向的剪切力，这样涂出来的高分子聚合物就会全部取向。

就像撒在桌子上的筷子，它们是随意排列的，而梳理之后，筷子就会更整齐，导电也会更顺利。

该工艺的好处在于可以大规模生产半导体膜，成本也很低，因为高分子涂层只有几十个纳米厚，所以一克重量的样品可以涂一间房子那么大的膜。

（来源：Nature）

徐洁表示，本征可拉伸的材料被发明以后，就不会牺牲柔性器件的密度。无机材料或者有机小分子材料，一般要用蒸镀法、或者纳米刻蚀法，而这种材料能用溶液去涂膜，因此成本更低。

另据悉，此项发明已申请专利，共有七八位斯坦福研究人员参与上述研究。除此以外，也有外部企业对该项目提供了资金支持和人员支持。

概括来说，徐洁的多项突破性成果都能应用于柔性电子设备、可穿戴技术、先进机器人以及人机接口技术等领域。

对于芯片制造来说，材料起着承上启下的作用。要把一个材料吃透，或者提供出在性能上有突破的材料设计，需要对基础物理和基础化学，有非常深入的理解。 另一方面，材料作为重要的技术支撑，可以成为芯片研发的核心突破口。

对于很多材料学家来说，要想把研究真正做得可以解决实际问题，就不能局限于做出新材料本身，而是在研究立项时就从实际应用出发，去寻找到当前应用最需要解决的技术瓶颈。

事实上，并非材料做出来、发了论文就万事大吉，科学家最好也参与到应用过程中。因为在应用过程中，还会发现新的问题，只有凭借这些反馈，才能进一步去优化材料的设计，从而把材料和技术真正结合起来。

现在，徐洁在阿贡实验室纳米中心的研究，也延续了上述工作，该中心既自己做科研，也会提供给其他科研院所仪器。

就做科研来说，在高校和在阿贡实验室基本是一样的。不过在这里她不需要上课，但可以招聘博后一起做研究。

图 | 徐洁（来源：资料图）

通过在这里的工作，她一是想提高导电聚合物的性能，二是让导电聚合物具有更多的新的性能。

她说，以后的高分子绝缘体、高分子半导体、高分子导体，在柔性电子器件中的使用量都会非常大。当前，我们都知道塑料污染很严重，但电子器件的污染也很严重。

而现在人类在大量发展柔性器件，因此科学家需要思考的是，十年后电子污染会和塑料污染一样成为很严重的问题吗？所以她现在的工作，不仅要提高导电聚合物性能，还要研究使用之后、如何处理相关电子污染。

目前徐洁正在寻找能循环利用或者可被生物降解的聚合物半导体材料。她表示：“我认为，无论要制造何种类商业化材料，都必须从一开始就抱着这样的想法。”

如今的她的科学之路“鲜花初绽”，而种子发芽还要从本科说起。本科时，徐洁在南京大学化学化工学院的基础学科拔尖班读书，当时班里只有四个女生。毕业后她直博来到薛奇教授课题组读博士，南京大学的学习经历给她夯实了高分子理论知识。

在徐洁读博期间，薛奇老师给了她很多学习交流的机会，比如在国内外会议上做报告、参与国际交流访问等。这些极大地开拓思路她的科研思路。谈及未来，她表示高分子会给未来的电子器件带来更多新功能和新应用。