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  柔性可穿戴電子器件具有質(zhì)輕、易結(jié)合皮膚、能承受力學(xué)變形等特點(diǎn)，逐漸在日常生活中嶄露頭角。尤其是在生物傳感器方面，已經(jīng)成為心率、血壓等涉及到身體健康生物信號(hào)監(jiān)測的重要器件。問題在于，目前所采用的生物傳感器，普遍需要使用外部供能驅(qū)動(dòng)，極大地限制了柔性可穿戴優(yōu)勢的極致發(fā)揮。

  有鑒于此，日本理化研究所Kenjiro Fukuda, Keisuke Tajima和Takao Someya等團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)展了一種基于納米圖案化有機(jī)太陽能電池的自供能超柔性生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測！

圖1. 自供能超柔性生物傳感器示意圖

  研究人員以經(jīng)典的超薄聚對(duì)二甲苯作為基底，在此之上集成OPV（有機(jī)光伏器件）和OECTs（有機(jī)電化學(xué)晶體管）。聚對(duì)二甲苯是一種完全線性的高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)的材料，采用獨(dú)特的真空氣相沉積工藝制備，致密無針孔、透明無應(yīng)力、不含助劑、不損傷工件、有優(yōu)異的電絕緣性和防護(hù)性，是目前最有效的防潮、防霉、防腐、防鹽霧涂層材料之一。

圖2. 設(shè)計(jì)雙柵格納米圖案的柔性O(shè)PV

  在OPV制造工藝中，引入納米圖案化的ZnO結(jié)構(gòu)，解決了柔性電子器件的兩個(gè)老大難問題：

• 1） 納米圖案加速電子在OPV中的傳遞，實(shí)現(xiàn)OPV效率最大化，可大達(dá)到10.5%，是目前柔性電子器件中的最高值之一。

• 2）納米圖案削弱入射光的反射，確保器件性能不受光照角度的影響。

  考慮到DVD碟片上有這種納米圖案來儲(chǔ)存信息，研究人員就找了一塊空白DVD，先將DVD上的納米圖案復(fù)制到柔性印章，然后通過軟刻蝕技術(shù)在OPV上成功構(gòu)造納米圖案。

  力學(xué)變形導(dǎo)致電學(xué)性能不穩(wěn)定，是柔性電子器件面臨的普遍問題。該研究中，研究人員利用OPV的超薄特性將器件黏合在預(yù)拉伸的橡膠材料上。研究發(fā)現(xiàn)，器件不僅可以在應(yīng)用在曲面，還能被拉伸2倍長度而不造成電學(xué)性能損失。即便是900圈拉伸松弛循環(huán)測試之后，器件效率仍可保留75%。

  另外，這種OECTs可在1 V左右的低壓條件下工作，OPV完全可滿足功能要求，即便是在標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)光照條件下。

圖3. 力學(xué)性能測試

圖4. 器件集成

  小白鼠活體測試表明，在LED的連續(xù)光照下，器件可實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟心率信號(hào)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測，靈敏度是常規(guī)能源驅(qū)動(dòng)的OECTs的3倍以上。這主要是因?yàn)椋瑳]有外部功能之后，避免了外部連接導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng)。

圖5. 心臟信號(hào)監(jiān)測

  在全面實(shí)現(xiàn)柔性可穿戴集成之前，這項(xiàng)工作還面臨2大問題：

  1.電學(xué)信號(hào)的傳遞，仍然是采用傳統(tǒng)的Si基硬質(zhì)電子器件。

  2.OPV自供能僅適用于小功率器件，高能耗器件無法使用。

  總之，這項(xiàng)研究采用納米圖案化的超薄太陽能電池，實(shí)現(xiàn)了柔性可穿戴生物傳感器進(jìn)行自供能驅(qū)動(dòng)，是近年來柔性可穿戴器件領(lǐng)域的里程碑之作，為柔性可穿戴器件的發(fā)展指明了新方向！

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0536-x