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北京大學雷霆團隊 Sci. Adv.：高電學性能的超韌有機半導體纖維的連續制備

2024-04-05 來源：高分子科技

纖維具有獨特的一維結構、優異的柔韌性和可編織性，非常適合無縫集成到織物和可穿戴設備中，在可穿戴電子領域展現出巨大的潛力。對于纖維電子而言，機械性能和電學性能都至關重要。然而，目前同時實現良好的機械性能和器件性能仍面臨挑戰。共軛高分子優異的光電性能使其具有廣闊的應用前景，將其加工成纖維將進一步拓展其在可穿戴設備中的應用。然而，共軛高分子較差的機械性能和不成熟的紡絲工藝阻礙了其在纖維電子和可穿戴領域的應用。

近日，北京大學雷霆團隊提出了“流動增強結晶”（flow-enhanced crystallization，FLEX）的濕法紡絲技術，成功將多種共軛高分子紡成纖維，并實現了纖維的連續化生產（圖1）。與傳統的濕法紡絲方法不同，作者提出減少高分子聚集，促進高分子鏈在拉伸流和剪切流作用下解聚的思路，通過進一步調控凝固浴中的溶劑擴散模式和后牽伸，增強了高分子鏈在纖維中的有序排列和結晶。

圖1. 文中使用的高分子半導體材料和FLEX連續紡絲方法示意圖

共軛高分子由于強烈的π-π相互作用，在溶液中嚴重聚集，難以取向排列形成高質量纖維。作者發現通過降低紡絲液濃度和調控紡絲過程中的流體剪切和拉伸作用，可以使嚴重聚集的共軛高分子解聚并沿流動方向取向排列（圖2A）。進一步通過調控紡絲針頭參數及凝固浴中的擴散模式（圖2D），獲得了良好取向和結晶的高分子半導體纖維（圖2B）。有趣的是，作者在纖維中觀察到烷基側鏈的有序排列和結晶行為（圖2C），這種現象在薄膜中從未觀察到過。

圖2. 流體作用下共軛高分子的解聚、取向與結晶

FLEX方法增強了高分子鏈在纖維中的有序排列和結晶，使制備的半導體纖維具有優異的機械性能，其力學性能達到甚至超過多種合成纖維，遠超有機半導體薄膜材料（圖3A-B）。后牽伸進一步增強了分子排列緊密度和有序度，纖維取向因子也進一步提升（圖3C）。作者認為高分子半導體纖維出色的機械性能來源于兩個方面：一是流動剪切和拉伸作用將高分子聚集體解聚和預排列，有利于其在纖維中良好取向和規整排列；二是共軛骨架的有序排列誘導了烷基側鏈的有序排列和結晶，增加了鏈間相互作用，進一步增強了纖維強度。此外，該類半導體纖維還表現出很小的曲率半徑和彎曲剛度，與人體組織接近，因此在可植入生物電子器件領域有良好的應用前景（圖3D-E）。

圖3. 高分子半導體纖維優異的機械性能和與織物的集成能力

作者研究了上述高分子半導體纖維的可穿戴和生物電子器件方面的應用（圖4A）。作者發現，這些纖維展現出高的n型摻雜電導率和獨特的應變電導率增強特性（圖4B），并可被用于纖維熱電（OTE）和纖維有機電化學晶體管（OECT）器件。與傳統的薄膜器件相比，纖維器件均展現出性能的飛躍（圖4C-D）。其中，纖維熱電器件的功率因子（PF）和纖維OECT的跨導（g_m,A）均為目前報道的最高值之一。基于高性能的纖維OECT器件，作者還開發了乳酸傳感器和心電信號傳感器，表現出良好的靈敏度或信噪比。

圖4. 共軛半導體纖維出色的電學性能與可穿戴及生物電子應用

本研究表明，通過新的紡絲策略，高分子半導體纖維會展現出超越傳統薄膜材料的電學和力學性能，并在可穿戴和生物電子器件領域具有巨大的應用潛力。本工作中提出的FLEX紡絲方法以及流體力學調控策略將作為一種通用的方法和策略，為高分子半導體材料的生產和應用提供新思路。

本研究以“Continuous production of ultratough semiconducting polymer fibers with high electronic performance”為題發表在Science Advances雜志。北京大學副研究員張志是本文的第一作者，雷霆研究員是通訊作者。合作者包括北京大學材料科學與工程學院的邵元龍研究員和呂世賢研究員等。上述研究工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、北京市杰出青年基金、博士后科學基金，北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺和北京大學高性能計算平臺等的支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk0647

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（責任編輯：xu）

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