Takao?Someya教授，柔性電子領(lǐng)域全球領(lǐng)先的三位大牛之一（其他兩位分別為John Rogers教授與鮑哲南教授），東京大學(xué)電氣與電子工程系教授、普林斯頓大學(xué)的全球?qū)W者、NEDO/JAPERA項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和JST/ERATO項(xiàng)目的研究主任。Takao Someya教授的研究方向包括有機(jī)晶體管，柔性電子，塑料集成電路，大面積傳感器以及塑料執(zhí)行器。目前，其團(tuán)隊主要關(guān)注的研究主題為有機(jī)器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過利用有機(jī)器件的柔韌性和有機(jī)分子的獨(dú)特功能，將生物體與電子設(shè)備協(xié)調(diào)、融合，并開發(fā)出生物有機(jī)設(shè)備。值得關(guān)注的是，其團(tuán)隊已經(jīng)成功研制出世界上最輕、最薄的柔性集成電路，發(fā)光器件和有機(jī)太陽能電池，并在可穿戴電子產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。截至目前，Takao Someya教授和他的研究團(tuán)隊在Nature，Science等知名期刊上共計發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文80余篇，累計引用次數(shù)超過35000，h因子80。
Takao Someya教授
在這里，我們回顧了近幾年Takao Someya教授研究團(tuán)隊發(fā)表在Nature、Science及其子刊上的部分研究工作，主要包括以下兩個部分：
1、高性能有機(jī)（光）電晶體管器件
2、柔性電子器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
【高性能有機(jī)（光）電晶體管器件】
1、Science:長程結(jié)構(gòu)完整的有機(jī)薄膜合成策略
具有高度定向、無邊界的有機(jī)薄膜可以應(yīng)用于各種高性能有機(jī)材料和器件中。然而，有機(jī)小分子的自組裝通常是通過成核-生長機(jī)制進(jìn)行的，組成分子一旦形成，就很難進(jìn)行大規(guī)模的重新排列。原則上，由有機(jī)小分子構(gòu)成的無邊界薄膜需要單點(diǎn)位成核，且在整個薄膜中重復(fù)這個結(jié)構(gòu)。這一過程對構(gòu)造微米級別內(nèi)結(jié)構(gòu)完整的有機(jī)薄膜造成了巨大的障礙。針對這一問題，東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊，利用空間填充設(shè)計，依靠二維（2D）triptycene有機(jī)小分子材料獨(dú)特的六方嵌套堆疊的結(jié)構(gòu)，通過真空蒸發(fā)、旋涂冷卻的方法，實(shí)現(xiàn)了厘米級別長程結(jié)構(gòu)完整的大面積分子膜的制備。X射線衍射分析和顯微鏡觀察表明，triptycene分子形成了完全定向的2D（六邊形triptycene陣列）+ 1D（層層疊加）結(jié)構(gòu)，這是結(jié)構(gòu)有序的長程傳播的關(guān)鍵。
圖1 空間填充設(shè)計的幾何模型與化合物示意圖
2、Nature Nanotechnology:少層分子膜實(shí)現(xiàn)柔性電子器件性能大提升
在有機(jī)電子學(xué)領(lǐng)域，通過與無機(jī)基底（金屬或金屬氧化物等）表面的元素共價結(jié)合形成自組裝單層膜，從而降低基底表面的表面能，促進(jìn)高質(zhì)量有機(jī)晶體的生長，是一種常用的提高目標(biāo)器件性能的方法。然而，對于柔性的聚合物基底而言，其表面由無定向的聚合物鏈組成，沒有特定的錨點(diǎn)與自組裝分子相結(jié)合，無法形成單分子層，大大降低了柔性電子器件的性能。針對這一問題，東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊制備了獨(dú)特的paraffinic triptycene材料，即使在基底表面沒有特定錨點(diǎn)的情況下，其自身獨(dú)特的六方嵌套堆疊的結(jié)構(gòu)也能夠組裝成致密、定向的薄膜。此外，該材料層層堆疊的特性為薄膜的厚度控制提供了便利。通過采用這一種材料對柔性的聚合物基底進(jìn)行表面功能化，能夠顯著提升后沉積的有機(jī)半導(dǎo)體材料的結(jié)晶度，從而大大提升有機(jī)晶體管器件的整體性能，大大推進(jìn)了高性能柔性有機(jī)集成電路的發(fā)展。該研究以題為“A few-layer molecular film on polymer substrates to enhance the performance of organic devices”的論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。
圖1 少層triptycene膜的結(jié)構(gòu)
圖2 triptycene膜對有機(jī)晶體管器件性能的影響
3、Nature Communications:線性光響應(yīng)的高增益雙柵極有機(jī)光電晶體管
在光電探測器中，光信號轉(zhuǎn)換為電信號是成像等一系列應(yīng)用的關(guān)鍵過程。目前主要研究的光電探測器件主要分為光電二極管和光電晶體管器件。光電二極管器件由于缺乏內(nèi)在的放大機(jī)制，通常需要外部電路提供信號放大器，以提高信號的完整性。而光電晶體管器件則可以簡化外部短路，其主要通過光電導(dǎo)增益為光生載流子（包括電子與空穴）提供內(nèi)在放大，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超100%的外部量子效率(external quantum efficiencies, EQE）。因此，即使是在輻照度低（次線性光響應(yīng)）的弱光條件下，高增益（high gain）檢測也能夠?qū)崿F(xiàn)。然而，在需要高分辨率和定量的光檢測應(yīng)用中，這種次線性的光響應(yīng)反而會帶來極大的困擾，反而是能夠提供線性光響應(yīng)的光電二極管器件更加實(shí)用。因此，為了綜合二者的優(yōu)勢，東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊制備了一種雙柵極的光電晶體管器件，在不需要外部電路的情況下，同時實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)光電晶體管的高增益和光電二極管的線性光響應(yīng)。此外，該器件還顯著的降低了光電晶體管的電噪聲，使得光檢測率（光探測器件的靈敏度）提高了三個量級以上。該研究以題為“Dual-gate organic phototransistor with high-gain and linear photoresponse”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。? ??
圖1 光電二極管、光電晶體管與雙柵極光電晶體管器件
圖2 雙柵極有機(jī)光電晶體管器件的光探測性能
【柔性電子器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用】
1、Nature:納米光柵實(shí)現(xiàn)自供電超柔性生物傳感器
柔性可穿戴電子器件具備了質(zhì)輕、可貼合皮膚以及能承受力學(xué)變形等特點(diǎn)，逐漸受到人們的青睞。尤其是在生物醫(yī)學(xué)方面，需要能夠精確連續(xù)的監(jiān)測血壓、心率等身體健康信號，而摒棄外部電源或復(fù)雜的電路設(shè)計。目前自供電功能的主要解決方案為柔性光伏器件，包括在物體周圍的超柔性有機(jī)電源已經(jīng)在以往的靜態(tài)測試中證明了其良好的機(jī)械性和熱穩(wěn)定性。然而，這些電源在機(jī)械變形和角度變化的情況下輸出功率極不穩(wěn)定。此外，在制造電源與傳感器的集成電路時，有必要將溫度與能量最小化，避免對器件的功能層和聚合物基底造成破壞。
有鑒于此，東京大學(xué)的Takao?Someya團(tuán)隊發(fā)展了一種基于納米光柵圖案的自供電生物傳感器件，實(shí)現(xiàn)了對小白鼠心率的實(shí)時精確監(jiān)測。其中，納米光柵圖案加速了電子的傳遞，提升了光電轉(zhuǎn)換的效率，同時還削弱了入射光的反射，確保了器件性能不受光照角度的影響。活體測試表明，由于避免了外部電源連接導(dǎo)致的信號波動，該自供電器件監(jiān)測的心率信號靈敏度為常規(guī)測試方法的3倍以上。該工作為下一代柔性自供電可穿戴電子器件的發(fā)展指明了新方向，并以題為“Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics”的論文發(fā)表在《Nature》上。
圖1 有機(jī)光伏器件的納米光柵結(jié)構(gòu)
圖2 心臟信號的實(shí)時精確監(jiān)測
2、Science Advances:可拉伸多電極陣列實(shí)現(xiàn)心電圖信號高精度監(jiān)測
多電極陣列（multielectrode array, MEA）已經(jīng)被用來研究細(xì)胞的位置、神經(jīng)信號的傳播和多個神經(jīng)元之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及醫(yī)療診斷方面。最早報道的是在平板玻璃上制作體外MEA，并用于測試心臟和大腦切片之間的信號傳播。近年來，基于柔性基底的無創(chuàng)體內(nèi)MEA技術(shù)發(fā)展迅速，能夠接觸柔軟且移動的活體組織。由于生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜（如大腦褶皺），因此有必要對裝置的柔韌性進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。此外，對正在跳動的心臟進(jìn)行心電圖測量，就要求設(shè)備具有高度的可伸展性來應(yīng)對心臟搏動。更重要的是，通過在每個單元置入有源元件，（如有機(jī)電化學(xué)晶體管器件，OECT），MEA陣列能夠?qū)崿F(xiàn)局部信號的放大和多重尋址，有助于對信號的精確監(jiān)測。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊制備了4*4的可拉伸的網(wǎng)格狀有源OECT陣列，為了保證器件能夠在組織流血狀態(tài)下正常工作，采用PMC3A材料對陣列進(jìn)行了封裝，電性能改變小于2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該陣列直接接觸動態(tài)跳動的老鼠心臟，提供了信噪比達(dá)52 dB的心電圖。由于網(wǎng)格狀基底的高度一致性，記錄的數(shù)據(jù)中沒有出現(xiàn)因?yàn)樾呐K搏動而引起的偽噪聲，且能夠在流血的環(huán)境中長時間（一小時）的穩(wěn)定工作。該研究以題為“Nonthrombogenic, stretchable, active multielectrode array for electroanatomical mapping ”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
圖1 基于多電極陣列的可拉伸OCET陣列
圖2 老鼠活體心臟信號記錄
3、?Nature Nanotechnology:超柔性電子實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞跳動的動態(tài)監(jiān)測
在生物集成電子學(xué)中，為了盡量減少生物系統(tǒng)的固有運(yùn)動對器件性能的影響，需要對器件的柔韌性和延展性等機(jī)械特性進(jìn)行優(yōu)化。迄今為止，多電極陣列等系統(tǒng)為柔性基底的柔性可拉伸電子器件提供了巨大的應(yīng)用潛力，然而，在不影響細(xì)胞自然運(yùn)動的情況下，通過電探針長時間的定量監(jiān)測細(xì)胞的動態(tài)運(yùn)動仍然是一個挑戰(zhàn)。心肌細(xì)胞對人體的重要性不言而喻，且心肌細(xì)胞一旦受損，后續(xù)生成的疤痕組織無法再與鄰近細(xì)胞通過電信號通訊實(shí)現(xiàn)同步收縮與擴(kuò)張。在本文章，東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊展示了一個能夠在不干擾心肌細(xì)胞正常運(yùn)動的情況下，持續(xù)采集細(xì)胞電信號的基于金納米網(wǎng)格的超柔性電子器件。由于金納米網(wǎng)格極為優(yōu)異的柔性，附著在網(wǎng)格上的心肌細(xì)胞表現(xiàn)出與未附著細(xì)胞相似的收縮與擴(kuò)張運(yùn)動。該設(shè)備能夠在液體環(huán)境中穩(wěn)定工作96小時以上，在20%的應(yīng)變情況下也能夠保持基本的電學(xué)性能。當(dāng)對細(xì)胞施加刺激時，能夠明顯的觀察到電信號的改變。該研究以題為“Ultrasoft electronics to monitor dynamically pulsing cardiomyocytes”的論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。
圖1 基于金納米網(wǎng)格的超柔的傳感器件
圖2 器件能夠持續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測心肌細(xì)胞的電信號
4、Nature Biotechnology:邁向新一代智能皮膚
柔性電子學(xué)、微納制造技術(shù)、微型化技術(shù)以及電子皮膚技術(shù)等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展極大的促進(jìn)了可穿戴傳感器設(shè)備的進(jìn)步。這些設(shè)備與人體皮膚高度契合，并密切相關(guān)，因而被稱為 “智能皮膚”。這一類設(shè)備為人類生物學(xué)的研究、身體各項(xiàng)信息的監(jiān)測以及醫(yī)療上的檢查與治療提供了新的契機(jī)。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊綜述了最新的關(guān)于智能電子皮膚的研究。這類新一代的智能皮膚可以自愈合、可拉伸，可以被設(shè)計成人造傳入神經(jīng)，甚至可以實(shí)現(xiàn)自供電。然而，盡管智能皮膚已經(jīng)在上述幾個領(lǐng)域取得較大進(jìn)展，仍然還有許多問題需要解決，包括：1、進(jìn)一步減小設(shè)備的尺寸與干擾；2、優(yōu)化電池功率；3、提升設(shè)備穩(wěn)定性與工作壽命；4、優(yōu)化傳感器件的靈敏度和動態(tài)范圍；5、發(fā)展新的計算方法促進(jìn)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)安全；6、增強(qiáng)設(shè)備的生物相容性。更重要的是，未來對智能皮膚的探索需要包括材料學(xué)家、生物學(xué)家、信息學(xué)家、工程師以及臨床醫(yī)生等眾多領(lǐng)域的研究者之間進(jìn)行緊密的合作以充分發(fā)揮它的潛力，才能推動其去實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。該研究以題為“Toward a new generation of smart skins”的論文發(fā)表在《Nature Biotechnology》上。
圖1 人類皮膚結(jié)構(gòu)
圖2 智能皮膚四種研究方向：新結(jié)構(gòu)、多模傳感、多功能、新材料
5、Nature Electronics:用于生物認(rèn)證及生命體征測量的柔性傳感器
半導(dǎo)體成像器件的空間分辨率和時間分辨率的提高推動了生物醫(yī)學(xué)測量和診斷技術(shù)的進(jìn)展。如熒光顯微鏡中的成像元件、內(nèi)窺鏡以及X射線等。與此同時，半導(dǎo)體器件的小型化推動了可穿戴傳感成像元件的發(fā)展，使得器件直接接觸皮膚，從而持續(xù)監(jiān)測重要的體征成為可能。為了減少這種可穿戴傳感器受機(jī)械應(yīng)力的影響，開發(fā)一種柔性成像儀是特別有意義的。目前，研究人員已經(jīng)發(fā)明了柔性的高速有機(jī)光探測器件，用于測量脈搏等生命體征。此外，用于指紋和血管測量的大規(guī)模光探測矩陣（254 ppi，每英寸254個單元器件）也已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)。然而，要求柔性成像設(shè)備兼具高分辨率和高速度仍然十分困難。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊將低溫多晶硅薄膜晶體管器件與高靈敏度的近紅外有機(jī)光電探測器件相集成，制備了一個兼具高分辨率（508 ppi，每英寸508個單元器件）和高速度（41 fps，41幀每秒），且厚度僅有15μm的貼合式成像器件。該器件可以輸出不到10 pA的有效光電流，還可以通過與皮膚的接觸獲得靜態(tài)生物特征信號，如指紋和血管信號等，并用于波形輸出。此外，得益于器件極高的測量精度，器件能夠以指紋等信號為基礎(chǔ)來選擇最佳的測量區(qū)域。該研究以題為“A conformable imager for biometric authentication and vital sign measurement”的論文發(fā)表在《Nature Electronics》上。
圖1 柔性成像器件的結(jié)構(gòu)
圖2 柔性成像器件對血管和指紋信號的采集
6、Science Advances:傳感驅(qū)動系統(tǒng)輔助排尿
人造器官的發(fā)展,可以重現(xiàn)人體重要器官的功能，拓寬了疾病治療的途徑，增加了病人獲救的機(jī)會，對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域意義十分重大。膀胱作為人體器官的重要性不言而喻。在儲存和排尿階段，膀胱的體積容量變化巨大。人類的膀胱可以擴(kuò)大到其空狀態(tài)容量的5倍以儲存尿液。據(jù)報道，大約有80%的脊髓損傷病人存在著膀胱功能障礙。因此發(fā)展一種系統(tǒng)來模擬人類膀胱的功能十分有意義。此外，還可以用于輔助其他器官的蠕動，如食道、胃以及腸道等。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊將一個能夠?qū)w積變化響應(yīng)的柔性傳感器件與一個基于形狀記憶合金的執(zhí)行器相集成，實(shí)現(xiàn)了提高膀胱排尿效率的傳感-驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r的對膀胱進(jìn)行監(jiān)測，并通過強(qiáng)排空力的執(zhí)行器進(jìn)行排尿。系統(tǒng)對大鼠的膀胱儲存71%到100%尿液時的排尿作用顯示敏感度達(dá)到了0.7 μF/liter。這種傳感-驅(qū)動系統(tǒng)在血壓、心臟等器官的監(jiān)測與控制方面有著巨大的應(yīng)用潛力。該研究以題為“Soft sensors for a sensing-actuation system with high bladder voiding efficiency”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
圖1 傳感-驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及生物體內(nèi)工作性能表征
7、Science Advances:超適形的納米網(wǎng)絡(luò)傳感器
超適形應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備可以直接貼合在人體皮膚上進(jìn)行持續(xù)的人體活動監(jiān)測。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交互式機(jī)器人、人體運(yùn)動檢測、個人健康監(jiān)測和治療等領(lǐng)域。然而，在保證器件持續(xù)且有效監(jiān)測人體運(yùn)動的前提下，如何最大限度的避免傳感器件對皮膚本身的運(yùn)動產(chǎn)生限制仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊以靜電紡絲的聚氨酯納米纖維網(wǎng)絡(luò)（PU nanomesh）為基礎(chǔ)，制備出了一種極為輕薄、耐久的，對人體皮膚本身運(yùn)動無干擾的納米網(wǎng)絡(luò)應(yīng)變傳感器。聚二甲基硅氧烷（PDMS） 對輕薄的PU納米纖維網(wǎng)絡(luò)具有加強(qiáng)作用，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度及拉升性能。之后用雙面鍍金的方法得到了具有優(yōu)良傳感性能（持續(xù)性，耐久性，和線性等待）的應(yīng)變傳感器。該研究通過改變所用PDMS的濃度，可以制備出傳感性能可控的應(yīng)變傳感器，用于表征不同目的的監(jiān)測。由于其及輕，薄，柔軟的特性，使得其對人體皮膚具有超強(qiáng)的親和能力，從而不限制人體皮膚本身的運(yùn)動。該研究以題為“A durable nanomesh on-skin strain gauge for natural skin motion monitoring with minimum mechanical constraints”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
圖1 超適形納米網(wǎng)絡(luò)傳感器的器件結(jié)構(gòu)
圖2 發(fā)音時，不貼傳感器（左臉）和貼了納米網(wǎng)絡(luò)傳感器（右臉）表現(xiàn)出相同的應(yīng)變分布
