可拉伸电子器件，一直被认为是精准医疗、电子皮肤、人机交互等领域的下一代核心技术 —— 它能像人体皮肤一样柔软拉伸，完美贴合复杂的生物组织，为植入式医疗、 wearable 设备打开全新的想象空间。
但想要让这项技术真正落地，微型化是绕不开的必经之路：想要实现更高的集成密度，就必须把晶体管、电容器这些基础器件的像素尺寸越做越小。可长期以来，这个方向都卡在了一个核心瓶颈上：弹性介电材料跟不上器件的缩小节奏。
传统的硅基集成电路里，器件缩小的同时，栅氧化层的厚度也能同步减薄，既维持了单位面积电容，又能降低工作电压。但弹性介电材料不一样：常见的弹性体本身自由体积大，击穿强度比无机氧化物低了近一个数量级 —— 如果把它做的太薄，一加压就直接击穿漏电了，根本没法用。厚度减薄和电学可靠性，就像鱼和熊掌，长期无法兼顾。
近日，北京大学集成电路学院郑雨晴团队的一项突破性研究，终于攻克了这个难题，相关成果正式发表在顶级期刊《Nature Electronics》上。
团队提出了一种全新的普适性策略，命名为CATCH（交联辅助陷阱创建，Crosslinking-Assisted Trap Creation），通过分子层面的设计，同时解决了弹性体的两个核心问题：
1. 用多臂交联剂，给普通的弹性介电材料重新构建交联网络，把原本松散的分子结构 “织得更密”，大幅缩小了材料的自由体积，从根源上抑制了碰撞电离和介电击穿的发生；
2. 多臂交联剂里未完全反应的官能团，会在材料里形成深能级的化学缺陷，相当于给漏电的载流子设了 “陷阱”，一旦有载流子想要逃逸漏电，就会被这些缺陷捕获，进一步提升了材料的击穿强度。
为了验证这个策略的效果，团队选择了常见的丁腈橡胶作为改性对象，通过旋涂工艺制备出了改性后的超薄介电薄膜。
在整个研究过程中，团队依托微米纳米加工技术全国重点实验室的精密设备，完成了从材料制备到性能验证的全流程测试：
1. 薄膜制备与厚度表征：通过旋涂仪制备出改性后的聚合物薄膜后，团队使用光谱椭偏仪精确测量了薄膜的厚度，成功将丁腈橡胶介电层做到了仅 84nm 的超薄尺度；同时借助原子力显微镜表征薄膜的表面形貌，确认了超薄薄膜依然保持了极高的均匀性与平整性，没有出现针孔或缺陷。
2. 击穿强度测试：为了验证材料的绝缘性能，团队制备了金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）结构的标准测试样品，通过高压源表对样品进行逐步加压的漏电流测试，最终测得这种改性后的丁腈橡胶，在 84nm 的超薄厚度下，击穿强度达到了589kV/mm，创下了弹性介电材料击穿强度的领先水平，性能已经堪比传统的金属氧化物无机介电材料。
3. 电容器性能测试：基于这种改性材料，团队构筑了可拉伸平行板电容器，通过LCR 阻抗分析仪测试器件的电容特性，结果显示这种电容器的单位面积电容高达200nF/cm²，是传统弹性介电电容器的数倍。
4. 晶体管与阵列性能测试：接下来，团队制备了可拉伸有机场效应晶体管，利用半导体参数分析仪测试器件的电学性能，发现得益于高面电容的介电层，晶体管的操作电压降低了近 1 个数量级 —— 这对植入式器件来说至关重要，更低的工作电压意味着更低的安全风险，更适合在体内长期工作。
进一步，团队利用这种材料构筑了 1T1C 电荷存储阵列，同样通过半导体参数分析仪完成了阵列的电学测试，最终实现了电容像素尺寸缩小2 个数量级以上，让可拉伸电子的集成密度得到了质的飞跃。
图片来源：北京大学集成电路学院
从材料到系统：植入式无线刺激的全新可能
解决了材料的瓶颈之后，团队进一步把这种技术落地到了实际的系统中。
高频无线传输，是微型可拉伸植入电子的核心需求之一，但长期以来，可拉伸晶体管的工作频率一直上不去，核心原因就是跨导不足 —— 而跨导又和介电层的电容正相关。
基于 CATCH 策略带来的高面电容介电层，团队成功构筑了可拉伸整流二极管，这种器件可以在 6.78MHz 的高频下稳定工作，哪怕被拉伸 100%，性能也几乎没有衰减。
在此基础上，团队进一步集成了无线接收线圈、可拉伸整流器等功能单元，搭建了一套完整的微型可拉伸无线电刺激系统，搭配无线信号测试系统与动物电生理采集设备，团队在小鼠身上完成了活体验证：这套系统可以通过无线方式，精准控制小鼠的腿部肌肉，实现了踢动、抬腿等可控的运动响应。
这意味着，这种微型化的可拉伸器件，完全可以作为植入式肌肉刺激系统的无线电子开关，为未来的神经义肢、康复医疗、植入式健康监测设备，提供了全新的硬件基础。
图片来源：北京大学集成电路学院
这项研究不仅提出了一种全新的弹性介电材料改性策略，更打通了从材料改性到器件微型化、再到系统应用的全链条，为可拉伸电子的高密度集成与植入式应用，铺平了道路。
论文信息：
Zeyu Zhong, et al. Ultrathin and robust elastomeric dielectrics using a crosslinking-assisted trap creation method for miniaturized stretchable electronics. Nature Electronics, 2026.
