柔性可拉伸电子再出顶刊！Nature Electronics

超轻薄高韧性弹性体介电材料：助力微型化可拉伸电子器件突破瓶颈

一、研究背景

可拉伸电子在医疗诊断、电子皮肤、人机交互等领域具备核心应用价值，器件集成密度持续提升要求元件微型化。但传统弹性体介电材料（如PDMS、SEBS）存在自由体积大、浅陷阱主导、击穿强度低的缺陷，薄膜厚度低于100 nm时极易击穿，无法随器件尺寸同步减薄，制约了微型化可拉伸晶体管、电容器的性能与集成度。现有分子设计、纳米粒子掺杂等改性方法，存在合成复杂、分散性差等问题，难以兼顾超薄化与介电/力学稳定性。

二、研究亮点

1. 首创交联辅助陷阱构建（CATCH）策略，同步实现弹性体自由体积压缩与深化学陷阱引入，大幅提升超薄薄膜击穿强度。

2. 改性丁腈橡胶（CATCH NR）在84 nm超薄厚度下，击穿强度达589 kV mm?1，媲美传统无机介电材料。

3. 材料具备晶圆级光刻图案化、耐有机溶剂、高拉伸性，适配可拉伸电子规模化制备。

4. 基于该介电材料实现了低电压可拉伸晶体管、超高面电容电容器、123倍微型化存储阵列、6.78 MHz高频无线整流器，并成功应用于小鼠肌肉无线电刺激系统。

三、研究内容

1. CATCH策略机理

图1：对比传统弹性体与CATCH改性介电材料的击穿机制，展示微型化可拉伸电子发展趋势，及器件贴合指尖、手腕的实物图。

采用多臂硫醇交联剂，通过硫醇-烯反应构建致密弹性体网络，压缩自由体积以抑制载流子加速；未反应的巯基形成深化学陷阱，牢牢束缚载流子，协同提升击穿强度。其中三臂硫醇交联剂实现自由体积-微观均匀性最优平衡，改性效果最佳。

2. 材料性能表征

图2：表征不同交联剂改性后材料的击穿强度、玻璃化转变温度、相分离尺度、陷阱分布、漏电流等，验证三臂硫醇最优改性效果。

系统验证交联臂数、配比对玻璃化转变温度、相分离、陷阱分布、漏电流、介电常数的影响，证实CATCH策略适用于多种弹性体，具备普适性。

3. 器件制备与性能

图3：展示CATCH介电材料晶圆级光刻图案化工艺、形貌与耐溶剂性能，证实其适配规模化微加工。

图4：呈现基于CATCH介电的可拉伸电容器、晶体管结构与性能，验证拉伸、循环服役下的稳定性。

实现晶圆级10 μm精度图案化，耐有机溶剂、高温高湿环境，满足可拉伸电子制备与服役需求。

4. 规模化与稳定性

图5：展示1T-1C微型化存储阵列、高频无线整流电路及小鼠肌肉电刺激应用，体现器件系统级价值。

  - 可拉伸电容器：面电容高达200 nF cm?2，100%应变下性能稳定。

    - 可拉伸晶体管：工作电压降至3 V以下，跨导达1.88 μS mm?1，100%应变、2000次拉伸循环后性能稳定。

    - 1T-1C存储阵列：像素面积较传统SEBS基阵列缩小123倍。

    - 高频无线系统：100%应变下工作频率达6.78 MHz，实现小鼠腿部肌肉无线刺激。

 四、总结与展望

本研究开发的CATCH策略，成功解决了弹性体介电材料超薄化与高韧性难以兼得的核心难题，将普通弹性体击穿强度提升6倍，制备出兼具高介电、高拉伸、耐溶剂、可光刻的超薄介电材料。基于该材料构建的微型化可拉伸器件与系统，实现了低电压、高频率、超小尺寸的突破，为可拉伸电子集成化提供了关键材料支撑。