柔性电子器件正在向可拉伸、自修复、智能感知和环境可持续等方向快速发展。然而，高性能与绿色可持续性之间仍存在显著矛盾。尤其对于聚氨酯类介电材料而言，其优异的柔韧性、可拉伸性及可修复特征使其在柔性电子领域具有重要应用潜力，但传统聚氨酯大多来源于化石资源，主链化学惰性较高，难以实现有效降解和生命周期末端管理；与此同时，其相对有限的介电极化能力、较低的电容密度以及不足的介电层/半导体界面调控能力，也在一定程度上限制了有机器件中的载流子输运性能。因此，如何在保持优异机械柔性的同时，实现介电性能、界面电荷调控、可降解性和材料循环利用的协同提升，是发展绿色高性能柔性电子所面临的重要材料问题。

  近期，天津大学胡文平院士、纪德洋教授面向这一问题，通过分子工程策略设计了一种可降解的聚碳酸酯基热塑性聚氨酯/聚酰胺酸复合介电材料（PCTPU–PAA）。

  2026年8月27日，该工作以 “Molecularly Engineered Degradable PCTPU–PAA Dielectrics With Boosted Carrier Mobility for Retina-Mimic Neuromorphic Visual Sensors Toward Closed-Loop Green Flexible Electronics” 为题发表在《Advanced Materials》上。

  研究首先将脂肪族聚碳酸酯软链段引入聚氨酯骨架，在保持材料柔性和力学顺应性的同时赋予其进一步化学降解和回收的可能；随后利用含有强极性羧基和酰胺基团的聚酰胺酸（PAA）与PCTPU共混，在聚合物内部构筑丰富的可逆非共价氢键网络，从而同时调节材料的力学性能、介电极化能力以及介电层/半导体界面。基于这一复合介电层构筑的有机神经形态视觉传感器（organic neuromorphic visual sensor，ONeuVS）表现出显著增强的载流子输运和类视网膜光响应，并进一步实现神经突触功能、手写数字识别以及器件材料的逐级回收。该工作从分子设计、器件性能到生命周期末端管理建立了一条相对完整的绿色柔性电子材料路线。

  在材料设计方面，首先合成了聚碳酸酯基热塑性聚氨酯PCTPU，并进一步引入PAA进行溶液共混。PAA分子中丰富的羧基和酰胺基团能够与PCTPU中的极性基团形成多重氢键，从而在两种聚合物之间构筑可调控的物理交联网络。这种动态氢键网络不仅改善了材料内部组分之间的相容性，也赋予复合薄膜良好的机械耗能和损伤修复能力（图1a）。在受到外力拉伸时，氢键可以发生可逆解离和重新组织，通过动态键交换耗散应变能；当破损界面重新接触并施加热刺激后，分子间氢键又能够重新形成，实现界面重构和材料自修复。研究结果表明，所得PCTPU–PAA复合薄膜断裂伸长率最高可达到273%，并具有明显的热刺激自修复能力。循环加载—卸载测试中材料表现出的弹性滞后同样反映了动态氢键断裂与重组所带来的能量耗散过程（图1f，g，i，j）。

图1 PCTPU的合成方案及通过溶液共混法制备PCTPU/PAA复合薄膜。a) PCTPU的合成路径及其与PAA共混的流程图。b-c) 高分辨率固态¹H-NMR谱图。d-e) FT-IR谱图中C=O区域的峰分布。f) 获得的不同比例PAA掺入PCTPU后的拉伸断裂曲线。g) 研究了PCTPU中不同比例PAA掺混后的应变和杨氏模量。h) 混合薄膜内氢键作用机制的示意图。i) 薄膜在0.5 mm s^-1变形速率下连续六次加载-卸载循环的结果。j) 热刺激下的自愈合拉伸断裂曲线。

  为了进一步理解PAA对复合体系微观结构的影响，研究人员还开展了分子动力学模拟。结果显示，随着PAA的加入，体系中的氢键数量显著增加，同时平均氢键长度减小，表明分子间相互作用得到增强（图2g-h）。径向分布函数分析进一步显示，PAA中的含氧基团能够与PCTPU中的极性基团形成优先氢键作用（图2d-f）。值得注意的是，PAA的加入并未明显改变氢键寿命（图2i），这意味着其主要作用并非“冻结”聚合物链段，而是在保持氢键动态交换特性的基础上，提高氢键形成效率和相互作用强度。这种更致密但仍具有动态性的非共价网络，为材料兼具机械稳定性、自修复性和介电功能提供了重要的微观结构基础。

图2 不同PAA比例下分子动力学模拟的结果。a-c) 分子动力学模拟体系及其微观结构（蓝色代表PCTPU，黄色代表PAA）d-f) 各体系的径向分布函数（RDF）。g-i) 不同体系中氢键的数量、长度及寿命。

  在此基础上，研究团队进一步将PCTPU–PAA作为栅介电层，构筑了底栅顶接触结构的有机神经形态视觉传感器（图3a）。通过调节PCTPU与PAA的混合比例，研究发现PAA的加入能够显著提高介电层的击穿强度，并使体系的电容和介电常数整体升高；与此同时，强极性的PAA还有利于调控介电层附近的分子排列与界面电荷相互作用。当PCTPU与PAA的体积比达到20:1.5时，器件获得最佳综合性能，其平均载流子迁移率达到12.46 cm² V^-1 s^-1。相比采用纯PCTPU介电层时的1.63 cm² V^-1 s^-1，载流子迁移率提高约7.6倍（图3b）。此外，加入PAA后器件迁移率分布的变异系数明显降低，说明器件间一致性得到改善。根据作者对已有报道的比较，该迁移率在其所统计的聚氨酯介电层有机场效应器件中处于最高水平（图3d）。这种显著的载流子输运提升与介电层/半导体界面的协同优化密切相关。光谱研究表明，PCTPU–PAA体系表现出更强的界面分子相互作用和浅能级电荷耦合，并具有更长的荧光寿命，说明PAA能够在一定程度上钝化界面陷阱、抑制非辐射复合并减少电荷俘获。进一步计算结果也表明，引入PAA后界面陷阱态密度明显降低。由此，PAA通过增强介电极化、促进沟道电荷积累并改善界面质量，共同实现了器件载流子输运能力的大幅提升。

  除常规晶体管性能外，研究团队还进一步探索了PCTPU–PAA器件在类视网膜视觉感知中的应用。人眼视网膜中的杆细胞和锥细胞分别负责弱光和强光环境下的视觉响应，并能够依据背景光强动态调节感知阈值。受这一机制启发，研究人员利用不同光照强度和栅极电压调节ONeuVS的光电响应，使其分别模拟杆细胞与锥细胞的感光行为（图3e）。PCTPU–PAA器件的感知阈值随光强变化表现出更加明显的调制关系，与此同时，复合介电层器件还具有更高的光敏度、响应度和比探测率，体现出更强的光刺激—电信号转换能力和更接近生物视觉系统的自适应感知特征。

图3 ONeuVS的电学性能和光强度特性。a) 光晶体管的示意图及介电层的局部放大图。b) 不同配比下PAA的迁移率和变异系数。c) PCTPU与PAA体积比为20 :1.5的36个器件的传输特性曲线。d) 以聚氨酯为介电层的器件迁移率汇总。e) 视网膜光感受器细胞（锥细胞和杆细胞）示意图。f-g) 不同光学密度的PCTPU和PCTPU-PAA的传输特性曲线。h-i) 从（f）和（g）中提取的阈值ID与Pin的关系曲线（Sph = 2）。

  在进一步的神经形态应用中，研究人员利用光照诱导的沟道电流变化模拟生物突触中的兴奋性突触后电流（EPSC）。在连续两个光脉冲刺激下，器件表现出典型的双脉冲易化（PPF）现象（图4b）。PCTPU–PAA器件在1 s脉冲间隔时PPF指数可达到约283%，表现出明显增强的短时突触可塑性；随着光脉冲强度、持续时间和脉冲数增加，器件还能够逐渐由短时可塑性向长时增强行为转变，并表现出稳定的长时增强—长时抑制循环特性（图4e）。以器件实测获得的长时增强和长时抑制特性为基础，研究人员进一步构建了一个具有784个输入神经元、100个隐藏神经元和10个输出神经元的单隐藏层前馈神经网络，用于手写数字识别（图4f）。结果显示，采用PCTPU–PAA器件参数的网络能够在更少训练轮次下获得更高识别率，最终识别准确率达到92.67%（图4g）。此外，在进一步降低器件读出电压后，神经形态功能仍然可以保持；在V_DS = ?0.001 V、脉冲宽度为0.02 s的条件下，作者估算得到单次突触事件能耗约为0.04 fJ/spike，显示出该体系在低功耗神经形态视觉和感存算融合器件中的潜在应用价值。

图4 突触可塑性与图像识别。a) 突触晶体管的示意图。b) 脉冲间隔为Δt = 6 s时的成对脉冲促进（PPF）过程（光强度2.04 mW cm^-2，波长450 nm，照射持续时间3 s）。c) 不同脉冲间隔下成对脉冲促进（PPF）指数的拟合曲线。d) 由 100 个连续光脉冲和电脉冲诱导的增强-抑制曲线。e) 持续 10 个周期的长时程增强-长时程抑制（LTP–LTD）循环。f) 单隐层前馈神经网络架构及突触权重表示的示意图。g) 基于该设备的单隐层前馈神经网络模拟器的识别准确率。

  相比单纯追求器件性能，这项工作的另一重要特点在于进一步考虑了电子器件的生命周期末端管理。研究团队设计了一种基于溶解度差异的多溶剂逐级分离方法。首先利用水溶性PSSNa牺牲层使器件从基底上完整剥离；随后将器件置于DMF中，在60 ℃条件下处理，使PCTPU和PAA进入相应溶液体系；再通过加入二氯甲烷实现PCTPU与PAA的进一步分离。对于剩余固体，研究人员利用氯苯及不同组分的溶解度差异，将C10-DNTT有机半导体与Au电极进一步分离。回收后的PCTPU还可以进一步进行醇解，获得碳酸二乙酯（DEC）、1,4-丁二醇（BDO）和异佛尔酮二胺（IPDA）等产物，为聚合物的进一步化学循环利用提供可能（图5a-c）。更重要的是，研究人员将分离回收后的PCTPU和PAA重新用于器件制备，所得晶体管仍能够保持与原始器件相近的转移特性和载流子迁移率；直接利用回收的PCTPU–PAA复合材料重新制备器件时，同样只出现较小的性能变化（图5d-f）。这表明该材料体系不仅能够“被降解”，还具有重新进入器件制造流程的可能，为真正意义上的材料闭环利用提供了实验依据。

图5 ONeuVS的降解与回收。a) 器件溶液回收过程的示意图。b) PCTPU的醇解。c) 起始6C-二醇、聚(6C-TMC)以及经醇解回收的6C-二醇的¹H NMR谱图（400 MHz，CDCl?，25°C）。d-e) 回收前后基于PCTPU和PCTPU–PAA的ONeuVS的传输特性。f) 回收前后基于PCTPU和PCTPU–PAA的器件的迁移率。

  总体而言，该工作通过聚碳酸酯软链段设计、动态氢键网络构筑以及高极性PAA界面调控，将可拉伸性、自修复性、可降解性、可回收性以及高效电荷输运集成到同一种柔性介电材料体系中。复合介电层使ONeuVS载流子迁移率由1.63提升至12.46 cm² V^-1 s^-1，并进一步实现类视网膜光感知、突触可塑性以及92.67%的手写数字识别；同时，多溶剂逐级分离和PCTPU化学回收策略又将研究从单纯的“器件性能优化”拓展至全生命周期材料管理。这项研究表明，对于下一代绿色柔性电子而言，高性能与可持续性并非必须相互妥协。通过合理的分子结构设计和非共价相互作用调控，介电材料的机械、介电、界面和循环利用特性可以实现协同优化，为可穿戴电子、人工视觉、神经形态计算以及可循环有机电子器件的发展提供了新的材料设计思路。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74824