鲍哲南团队研发新型薄膜材料，能把你的皮肤变成三维显示器｜Nature

翻译武大可

把智能手机、电视等电子设备的屏幕弄皱后，还能继续使用，这曾经是不可想像的——现有的屏幕僵硬、脆弱，只能维持扁平的形态，并不能在随意扭曲的情况下支持交互性更强用法。

多年来，美国斯坦福大学（Stanford University）的鲍哲南团队一直在开发各类柔软而富有弹性的“仿皮肤”电子产品。作为其中的一环，他们 3 月 23 日发表在《自然》（Nature）的论文了介绍一种可拉伸、可重塑的仿皮肤显示设备，这也许将为如今的显示设备格局带来一场变革。

这项发明的核心是一种全新的高亮度弹性发光聚合物生产方法，这种聚合物起到了类似于灯泡中灯丝的作用。团队的最终显示设备完全由弹性聚合物-合成塑料制成，最大亮度至少达到了现有手机屏幕两度的两倍，并且能够拉伸至原始长度的两倍，而不会撕裂。

“可拉伸的显示器可以令全新的人际交互界面成为了可能，”论文通讯作者，斯坦福大学工程学院教授鲍哲南表示，“我们能够看到图像并与之交互，图像还能根据用户的反应而改变。”

大多数发光聚合物受到拉伸时，会变得僵硬，继而破裂。科学家往往通过添加橡胶等弹性绝缘材料来增强它们的柔韧性，但这也降低了聚合物的导电性。对这样导电性不佳聚合物来说，哪怕要长生一点点昏暗的光，都必须施加危险的高电压。

然而大约在三年前，博士后学者张志涛发现，一种名为 SuperYellow 的黄色发光聚合物与一种弹性塑料聚氨酯混合后，不仅变得柔软柔韧，而且能发出更强的光。

“添加聚氨酯后，我们看到 SuperYellow 形成了一种纳米结构，”这项研究的第一作者张志涛说，这些纳米结构非常重要。因为像渔网一样连接在一起，它们使聚合物发出了更亮的光，

与添加橡胶不同，纳米纤维网络使得 SuperYellow 具有弹性，却并不会抑制其中的电流——这是开发高亮度显示器的关键。在这一发现之后，团队还创造出了红色、绿色和蓝色的发光聚合物。

多层堆叠

要构成完整的显示设备，至有可拉伸的发光聚合物并不够，团队还要找到其他组件并堆叠在一起。

“找出可用的合适材料真的很有挑战性，”鲍哲南解释说，“这些材料必须在电子学上互相匹配，才能为我们提供高亮度。除此以外，它们还要具有类似的良好机械性能，来保证显示设备可拉伸。最后，为了便于制造，张志涛还必须找到一种能避免亮度损失的方法，把这些层级堆叠到一起。”

最终获得的显示器包含了七个层级。最外的两层是封装整个设备的基板，紧接着的是两个电极层，再向内是两个电荷传输层，夹在最中间的是一个发光层。

当电流通过显示器时，一个电极将正电荷以空穴的形式注入发光层，另一个电极则将带有负电荷的电子注入其中。两者相遇时，会结合并进入能量激发态，紧接着回到正常的基态，伴随着一个光子的产生。

这一聚合物薄膜可以粘附在手臂或手指上，而不会在关节弯曲的过程中撕裂。这将允许可穿戴设备直接在皮肤上显示信息。

鲍哲南还预见了可拉伸显示器的多种其他潜在用途。它将能够用来制造可变形的交互式屏幕，甚至在地图上形成三维景观。

“想象一下，一个显示器竟能三维地呈现图像，”她说，“这会是一种全新的交互方式。”

https://news.stanford.edu/press/view/43132

论文信息

【标题】High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution

【作者】Zhitao Zhang, Weichen Wang, Yuanwen Jiang, Yi-Xuan Wang, Yilei Wu, Jian-Cheng Lai, Simiao Niu, Chengyi Xu, Chien-Chung Shih, Cheng Wang, Hongping Yan, Luke Galuska, Nathaniel Prine, Hung-Chin Wu, Donglai Zhong, Gan Chen, Naoji Matsuhisa, Yu Zheng, Zhiao Yu, Yang Wang, Reinhold Dauskardt, Xiaodan Gu, Jeffrey B.-H. Tok & Zhenan Bao

【期刊】Nature

【日期】23 March 2022

【摘要】

Next-generation light-emitting displays on skin should be soft, stretchable and bright. Previously reported stretchable light-emitting devices were mostly based on inorganic nanomaterials, such as light-emitting capacitors, quantum dots or perovskites. They either require high operating voltage or have limited stretchability and brightness, resolution or robustness under strain. On the other hand, intrinsically stretchable polymer materials hold the promise of good strain tolerance12,13. However, realizing high brightness remains a grand challenge for intrinsically stretchable light-emitting diodes. Here we report a material design strategy and fabrication processes to achieve stretchable all-polymer-based light-emitting diodes with high brightness (about 7,450 candela per square metre), current efficiency (about 5.3 candela per ampere) and stretchability (about 100 per cent strain). We fabricate stretchable all-polymer light-emitting diodes coloured red, green and blue, achieving both on-skin wireless powering and real-time displaying of pulse signals. This work signifies a considerable advancement towards high-performance stretchable displays.

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