東華大學&川大《AFM》：剪切增強雜化技術，實現高性能聚合物半導體纖維及器件制備！

有機電化學晶體管（OECT）兼具高靈敏度、多模態響應、低工作電壓等優勢，在智能可穿戴設備領域具有重要應用前景。其中，為匹配可穿戴應用場景，實現電子器件的織物化以及與傳統織物的無縫集成，以聚合物半導體纖維為半導體活性層的纖維有機電化學晶體管（F-OECTs）有望成為下一代可穿戴設備的重要核心器件之一。然而，現有F-OECTs的性能受制于聚合物半導體纖維的本征性能限制，在器件電化學調制性能和纖維強度方面仍存在較大不足。

為解決這一問題，東華大學王剛、孫恒達研究員聯合四川大學馮良文研究員提出了一種“剪切增強雜化”技術，通過在聚合物半導體纖維制備過程調控剪切流場和引入功能添加劑實現了高載流子遷移率和優異機械強度的聚合物半導體纖維的制備，并以此為核心制備了高性能F-OECTs。

相關研究以“Shear-Intensified Hybridization of Conjugated Polymer Fibers for Organic Electrochemical Transistors”為題發表在學術期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202515197）。碩士生汪向宇與博士生蔣浩、王浩宇為共同第一作者。相關工作得到了朱美芳院士指導，受到國家自然科學基金、國家重點研發項目等支持。

https://doi.org/10.1002/adfm.202515197

研究團隊設計的剪切增強雜化技術通過在聚合物半導體纖維濕法紡絲過程中，引入特異性功能添加劑，對聚合物半導體分子起到“二次空間限域”作用，實現了“剪切增強”，有效提升了聚合物半導體的分子取向；此外，功能添加劑與聚合物半導體之間通過π-電子離域作用形成了增強的共軛效應，實現了“雜化纖維”的構建。纖維表面形貌、偏光顯微鏡表征結果與分子動力學（MD）模擬結果的聯合分析表明，剪切作用提升了分子沿纖維軸向的取向排列；同步輻射表征結果（WAXS、GIWAXS）與基于密度泛函理論的第一性原理（DFT）模擬結果共同證明了雜化纖維內部的π-π堆積距離有效降低，實現了更優異的共軛作用。

在該分子級雜化設計下，雜化聚合物半導體纖維性能實現多重增益：功能添加劑含量為1 wt.%的雜化纖維拉伸斷裂強度約210 MPa，楊氏模量約6.8 GPa，屈服強度約140 MPa，相較純聚合物半導體纖維，性能分別提升約29 %、32%、34%；基于該雜化纖維構建的F-OECT中，器件核心性能：尺寸歸一化跨導提升＞50%，軸向載流子遷移率提升約40%，閾值電壓、響應速率等性能也表現出不同幅度的提升，且器件在＞3 h（3000次）循環中依然穩定，處于纖維F-OECT的先進水平。

在可穿戴設備構筑方面，團隊構建了以雜化F-OECTs為核心的全織物p-n互補逆變器，實現了輸入端電學信號的放大，放大增益＞80 V/V，并應用在了生理信號監測領域。

該研究通過“設計—材料—機理—器件—應用”的全流程規劃和分析，不僅為聚合物半導體纖維性能增強和F-OECTs性能優化拓展了新的技術手段，也為柔性電子、可穿戴設備、生理信號監測等前沿方向注入了新的發展活力。

剪切增強雜化紡絲機制

本研究以一種n型梯形聚合物半導體 BBL 為核心材料，設計了一種剪切增強雜化的紡絲技術：通過在BBL濕法紡絲過程中，引入平面高共軛結構材料GO，對BBL實現了二次空間限域，有效增強了BBL分子延纖維軸向的取向。同時，通過熱退火，使得GO轉化為共軛結構更優的功能化石墨烯——FG，同時提升BBL分子結晶度，實現了雜化分子內部π-π作用的增強。這種纖維內部分子取向和共軛結構的雙重優化，有利于雜化體系內部載流子的遷移以及纖維整體機械性能的提升。首先，在機械性能方面，雜化纖維展現出了可觀的性能提升。功能添加劑含量為1 wt.%的雜化纖維拉伸斷裂強度提升約29%，楊氏模量提升約32%，屈服強度提升約34%，證明其具有實際應用可能，為后續F-OECTs制備和織物集成提供了基本保障。

圖1剪切增強雜化纖維設計及力學性能

雜化纖維微觀結構及增強機理

隨FG含量增多，雜化纖維表面沿纖維軸向出現明顯的溝槽，這歸因于BBL納米原纖在FG作用下沿纖維軸向的有序排列，POM表征進一步驗證了FG的作用，可以發現隨著FG含量的增加，纖維亮度逐漸增強，表明其取向程度的提升。然而，值得注意的是，當FG含量超過1 wt.%后，纖維表面出現明顯缺陷，這抑制了纖維取向的進一步增強。WAXS證實雜化纖維內部共軛結構的優化。π–π堆積(010)峰由純BBL的q ≈ 1.85 ??1（d ≈ 3.40 ?）右移到FG = 1 wt.%時的q ≈ 1.93 ??1（d ≈ 3.26 ?）。雜化纖維的微觀結構表征揭示了其取向增強和共軛結構優化的雙重結果，驗證了剪切增強雜化設計的可行性。

圖2BBL/FG纖維的微觀結構

計算機模擬驗證

MD驗證了GO在BBL成纖過程中對其分子運動的取向調控。文章發現當引入適當GO時，雜化體系內部分子沿剪切方向的伸直鏈取向運動增強，這與通過纖維表面形貌和POM圖片分析的結論保持一致；DFT計算結果表明，相較純BBL體系，雜化纖維體系內部BBL與FG的π-π堆積距離更小，結合能更大，形成了優化增強的共軛體系，這與WAXS測試結果一致。總結來看，計算機模擬結論與雜化纖維微觀結構表征結果相互印證，深入揭示了功能添加劑在聚合物半導體分子成纖過程中取向增強和共軛結構優化的機理，體現了“剪切增強雜化”技術的理論可靠性。

圖3雜化纖維取向增強及共軛結構優化的計算機模擬驗證

基于雜化纖維的F-OECTs

由于雜化纖維內部BBL分子排列有序性的提升以及共軛結構的增強，基于雜化纖維的F-OECTs表現出更加優異的半導體性能：在基于 BBL/FG 纖維的n型累積型F-OECT中，幾何歸一化跨導gm,norm提升約54%、響應速率提升約38%；本征參數方面，μC*提升約48%，在C*近似不變的前提下，載流子遷移率提升約46%。同時在門脈沖下經>3000次循環仍維持約103的開關比與穩定輸出。

圖4F-OECT的半導體性能

全纖維互補逆變器及生理信號監測系統

在OECTs應用中，p-n互補逆變器可以實現信號放大，在智能可穿戴設備中具有重要應用價值。而其性能一直受制于n型OECTs器件的不足。因此，基于本研究制備的高性能雜化聚合物半導體纖維的n型OECTs，結合靜電紡納米纖維膜基底、蒸鍍電極與常見p型聚合物半導體纖維，構筑了一種全織物互補逆變器。首先，基于高性能雜化聚合物半導體纖維的n型OECTs與p型OECTs表現出了優異的性能匹配性，這是構筑高性能互補逆變器的先決條件。制備得到的全織物互補逆變器表現出優異的放大性能（增益約90 V/V）和可靠的柔性纖維結構。最后，該全纖維互補逆變器被集成到生理信號監測系統中，可以實現眼電信號的放大與檢測，在智能可穿戴設備和生物電子器件領域表現出了極大的應用潛力。

圖5全纖維互補逆變器及生理信號監測系統

該研究通過在聚合物半導體濕法紡絲過程引入功能添加劑，實現了聚合物半導體分子聚集態的有效調控，構建了一種高取向、高共軛結構雜化纖維。雜化聚合物半導體纖維表現出優異的力學性能，具有實際使用能力。基于雜化纖維的纖維有機電化學晶體管表現出了優異的電化學調制能力和工作穩定性，并實現了織物級的智能可穿戴設備的構筑。該研究為聚合物半導體纖維力-電性能協同增強提供了新思路，未來將面向多材料協同開發，推動在可穿戴生物電子、智能紡織與具身健康監測等場景中的規模化應用與產業化落地。

團隊介紹

東華大學王剛研究員圍繞“半導體功能纖維與器件”這一領域進行系統研究，代表性工作有：基于直接微光刻技術實現有機半導體晶體管光-電-離協同的晶圓級集成（Adv. Mater. 2025, 2417452）；剪切增強液晶紡絲制備聚合物半導體纖維（Natl. Sci. Rev. 2025, nwaf331）；基于高精度混合流打印技術的聚合物半導體纖維薄膜基電子器件（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2020, 117, 202000398）；基于一體化流體加工的單纖維電化學晶體管（Adv. Electron. Mater., 2021, 7, 2100231）；高性能纖維狀垂直結構有機電化學晶體管的曲面光刻策略（Chem. Mater., 2023, 35, 22, 9739）；基于精密纖維表界面調控的電子-離子雜化半導體纖維及神經界面應用（Nat. Commun., 2023, 14, 2355; Angew. Chem. Int. Ed., 2024: e202418999）。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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