電子裝置與生物組織的無縫整合一直是生物電子學領域的一項重大挑戰。傳統的電子元件通常剛性且易碎，而生物組織則柔軟且富有彈性。這種基本的不匹配，嚴重限制了開發能夠適應生物系統動態特性的先進醫療裝置的可能性。
（來源：張世明）
有機電化學電晶體（OECTs，Organic Electrochemical Transistor）因其能夠同時傳導離子和電子，並將離子訊號放大的特性，成為連線電子裝置與生物系統的潛在解決方案。這種器件使用的主要材料是有機混合半導體導電材料（OMIEC，Organic Mixed Ion-Electronic Conductors），例如 PEDOT：PSS。然而，OMIEC 在形成薄膜後變得脆弱，其拉伸效能極其有限。這種材料效能的侷限性，限制了 OECTs 在需要隨身體動態運動的醫療裝置中的實際應用。
傳統的 OECTs 採用的是平面式橫向設計，電流透過一層薄膜導電材料流動，類似於水在平坦表面上流動。當薄膜被拉伸時，容易形成裂紋，類似結冰的池塘表面破裂，從而完全阻斷電流流動。
而香港大學張世明教授和團隊開發了一種全新的垂直結構設計，將器件元件堆疊起來，形成多個平行路徑，使電流能夠透過器件厚度流動。這種三維設計使得即使材料產生裂紋，電流仍然可以透過其他路徑流動，就像水仍然能夠透過裂縫滲透海綿一樣。
圖 | 張世明（來源：張世明）
為了實現這種垂直設計，研究人員開發了一種特殊的電極製造技術。研究人員將一層金沉積在一種特別的彈性聚合物上，並透過加熱使金原子遷移到聚合物結構中，從而形成一種混合材料。這種材料即使在拉伸時也能保持導電性，可滿足垂直器件對電極的苛刻需求。
審稿人對該研究提出的架構創新給予了高度肯定，認為其突破了傳統設計的侷限。審稿人評價稱：“之前在開發可拉伸 OECTs 的嘗試中，取得的結果參差不齊。一些方法嘗試使用預拉伸的基底或圖案化的金屬互連結構，另一些則嘗試了基於微裂紋的半導體材料。這些方法雖然有一定的潛力，但往往在電效能上妥協，或在拉伸效能上僅取得有限的改進。這個領域需要一種根本性的重新設計來克服這些限制。作者提出了一種全新的方法，從根本上重新構想了這些電晶體的構造。他們沒有簡單地試圖讓材料本身更具拉伸性，而是完全重新設計了電晶體的架構，創造了他們稱之為‘垂直本徵可拉伸有機電化學電晶體'的概念”。
這一垂直架構在可拉伸電子學領域代表了一項根本性的進步，展現瞭如何透過創新設計克服長期困擾該領域的材料限制。相比以往為實現柔性而犧牲效能的解決方案，這種垂直設計同時提升了電效能和拉伸效能。這一研究成果的潛在應用不僅侷限於醫療裝置，還可能影響下一代可穿戴計算裝置、智慧紡織品和人機介面的發展。隨著製造難題的逐步解決，這種垂直架構有望成為一種基礎技術，用於開發能夠與人體無縫整合的電子裝置，開啟醫療監測、智慧增強等領域的新可能性。
據介紹，這項研究受到美國國家工程院院士、中國科學院外籍院士、美國加州大學伯克利分校傑出講座教授胡正明提出的鰭式場效應電晶體概念的啟發，研究人員將三維電晶體的理念應用於可拉伸生物電晶體領域，透過垂直結構設計解決了傳統半導體材料拉伸性不足的問題。儘管這一概念看起來簡單且有效，但對材料的要求極高。例如，電極需要具有彈性，否則在拉伸過程中會失效。同時，電極還需要具備粘附性，否則在拉伸時可能脫落，導致器件損壞。
專案於 2022 年初正式確定課題方向。經過大約兩年的工藝探索、材料最佳化和器件測試，研究團隊於 2023 年底將初步成果提交至 MRS 2023 秋季會議進行展示[1]。然而，為了進一步最佳化器件的穩定性，研究人員又投入了整整一年的時間完善材料體系和工藝流程，最終實現了所有功能層材料的彈性粘附性（elastoadhesive），顯著提升了器件效能及可靠性。這一過程從課題確定到研究成功，歷時接近三年，經歷了大量挑戰與迭代。
課題初期，由於經驗不足，加上課題組剛剛成立，資源有限，研究進展較慢，甚至一度陷入瓶頸。後來，團隊逐漸壯大，不同跨學科背景的學生陸續加盟，並且實驗室建設也逐漸步入正軌，為專案注入了新的活力。正是在這一階段，研究進展顯著加速，團隊終於突破了關鍵技術難關。
此外，早期實驗中，研究人員原來打算利用另外一種常用的垂直器件策略，類似樓梯臺階結構，卻發現器件經常在測試中短路。後來徹底改變思路，探索並確定了利用粘彈性電極做”三明治結構”的方案, 效果大幅提升。這一“失敗中的成功”成為後續工藝最佳化的關鍵靈感。
這項工作重新定義了可拉伸 OECT 的結構，透過垂直架構突破了半導體材料的拉伸性限制。這一理念具有高度的普適性，可以拓展到其他型別的電子器件。團隊目前正在進行整合化研究，嘗試開發功能性器件，目標是展示這一架構在實際應用中的潛力，同時解決醫療電子、生物整合 AI 等跨學科領域的技術難題。未來的研究方向還包括探索新的材料組合，進一步提升器件效能，以及開發更多功能層，從而實現軟硬體的一體化設計，為下一代柔性電子裝置提供技術支撐。