華人學者鮑哲南團隊開發可穿戴顯示器：拉伸兩倍不會裂，且高亮度

下一代皮膚發光顯示器應該是柔軟、有彈性和明亮的。在美國斯坦福大學化學工程系主任、K. K. Lee特聘教授鮑哲南看來，盡管這類研究在當下已非常“時髦”，但真正具有可重復拉伸性和低剛度的可伸縮顯示器仍然缺乏。?

當地時間3月23日，頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發表了鮑哲南團隊的一項最新研究，他們在發現了一種創造彈性發光聚合物的突破性方法后，開發出了高亮度、有彈性的彩色顯示器。其最大亮度至少是手機的兩倍，拉伸到原來長度的兩倍時也不會撕裂。

研究團隊認為，這項研究或標志著高性能可拉伸顯示器的重要進展，這種可伸縮顯示器，或將徹底改變人類與電子設備的互動方式。

現年52歲的鮑哲南于1995年獲得美國芝加哥大學博士學位。2016年，她創立了斯坦福大學可穿戴電子中心并任主任，同年當選為美國國家工程院院士，2017年當選為美國國家發明家學會會士，2021年當選為中國科學院外籍院士、美國藝術與科學院院士。

斯坦福大學化學工程系主任、K. K. Lee特聘教授、中國科學院外籍院士鮑哲南。

研究團隊提到，大多數發光聚合物都是堅硬的，在拉伸時也會開裂。為了將剛性顯示器轉換為可伸縮的結構，截至目前科學界已經報道了多種策略，包括將剛性納米結構嵌入彈性聚合物基體的納米復合材料等。

然而，在增加了彈性的同時，這些顯示器必須犧牲設備性能、可擴展性或分辨率。比如，導電性會降低，這就要求使用危險的更高電壓來產生微弱的光。

研究團隊也看到，從另一方面來說，可伸縮的聚合物材料即使在高器件密度下也保持可伸縮。因此，全聚合物發光二極管(APLEDs)具有驅動電壓低、亮度高、響應時間快、穩定性好等優點，將成為皮膚樣顯示器的理想策略。然而，出于多種原因，這樣可伸縮的APLEDs此前一直沒有實現。

鮑哲南團隊的這項研究始于三年多之前。其團隊的博士后、該研究的第一作者張智濤發現了一種被稱為“SuperYellow（SY）”的黃色發光聚合物，當引入一種有彈性的塑料，即聚氨酯（PU）與其混合時，不僅變得柔軟柔韌，還能發出更亮的光。

斯坦福大學張智濤展示了該材料的彈性，可伸展至2倍長而不會損壞撕裂。(00:07)

在斯坦福大學發布的新聞稿中，張智濤說，“如果加入聚氨酯，我們會看到SY形成納米結構。”他進一步稱，“這些納米結構非常重要。它們使脆性聚合物可伸縮，并使聚合物發出更亮的光，因為納米結構像魚網一樣連接在一起。”

值得一提的是，與此前哪些添加橡膠等策略不同的是，使SY具有彈性的納米纖維網絡不會抑制電流，而這是開發一種明亮顯示器的關鍵。

具備了可伸縮的發光聚合物后，研究團隊還需要將電子顯示屏的其余成分組合在一起。鮑哲南解釋說，找到合適的材料真的很有挑戰性。“在電子性能方面，它們必須相互匹配，才能帶來高亮度。但是，它們也需要有類似的良好的機械性能，以允許顯示可伸縮。最后，在制作過程中，張智濤必須找到一種方法，將各層堆疊在一起，這樣才不會降低亮度。”

最后的顯示器包含7層。兩個外層是封裝設備的兩個基板。再往里是兩個電極層，然后有電荷傳輸層。最后，發光層被夾在中間。

當電流通過顯示器時，一個電極向發光層注入正電荷，而另一個電極向發光層注入負電荷。當這兩種電荷相遇后，它們會相互作用并進入能量激發態，緊接著就會產生一個光子，多個光子聚集成明亮的光。

在這項研究中，研究團隊最終制備了紅色、綠色和藍色的可拉伸全聚合物發光二極管，具有高亮度（7450 cd/m2）、電流效率（5.3 cd/A）和可拉伸性（約100%）。

為了使制備的全聚合物發光二極管可以貼在人體皮膚上進行長時間工作，研究團隊還使用了一種靈活的無線能量采集系統，通過無線電波為全聚合物發光二極管供電，并證明在皮膚上能跟上人類心跳節拍，顯示實時脈搏信號。

“可伸縮顯示器可以實現一種新的人機交互方式。”鮑哲南看到了未來多種潛在用途，它可以用來制作可變形的交互屏幕，甚至可以在地圖上形成三維景觀，“想象一下，在屏幕上，你可以看到和感受到三維物體。”她認為，這將是一種全新的遠程互動方式。

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