Electronic systems with physical properties matched to the human epidermis can be used in clinical monitoring.

We introduce a method to fabricate high-performance field-effect transistors on the surface of freestanding organic single crystals. The transistors are constructed by laminating a monolithic elastomeric transistor stamp against the surface of a crystal. This method, which eliminates exposure of the fragile organic surface to the hazards of conventional processing, enables fabrication of rubrene transistors with charge carrier mobilities as high as approximately 15 cm2/V.s and subthreshold slopes as low as 2nF.V/decade.cm2. Multiple relamination of the transistor stamp against the same crystal does not affect the transistor characteristics; we exploit this reversibility to reveal anisotropic charge transport at the basal plane of rubrene.

We have produced a stretchable form of silicon that consists of submicrometer single-crystal elements structured into shapes with microscale, periodic, wavelike geometries. When supported by an elastomeric substrate, this “wavy” silicon can be reversibly stretched and compressed to large levels of strain without damaging the silicon. The amplitudes and periods of the waves change to accommodate these deformations, thereby avoiding substantial strains in the silicon itself. Dielectrics, patterns of dopants, electrodes, and other elements directly integrated with the silicon yield fully formed, high-performance “wavy” metal oxide semiconductor field-effect transistors, p-n diodes, and other devices for electronic circuits that can be stretched or compressed to similarly large levels of strain.

We have developed a simple approach to high-performance, stretchable, and foldable integrated circuits. The systems integrate inorganic electronic materials, including aligned arrays of nanoribbons of single crystalline silicon, with ultrathin plastic and elastomeric substrates. The designs combine multilayer neutral mechanical plane layouts and “wavy” structural configurations in silicon complementary logic gates, ring oscillators, and differential amplifiers. We performed three-dimensional analytical and computational modeling of the mechanics and the electronic behaviors of these integrated circuits. Collectively, the results represent routes to devices, such as personal health monitors and other biomedical devices, that require extreme mechanical deformations during installation/use and electronic properties approaching those of conventional systems built on brittle semiconductor wafers.

Electronics that are capable of intimate, non-invasive integration with the soft, curvilinear surfaces of biological tissues offer important opportunities for diagnosing and treating disease and for improving brain/machine interfaces. This article describes a material strategy for a type of bio-interfaced system that relies on ultrathin electronics supported by bioresorbable substrates of silk fibroin. Mounting such devices on tissue and then allowing the silk to dissolve and resorb initiates a spontaneous, conformal wrapping process driven by capillary forces at the biotic/abiotic interface. Specialized mesh designs and ultrathin forms for the electronics ensure minimal stresses on the tissue and highly conformal coverage, even for complex curvilinear surfaces, as confirmed by experimental and theoretical studies. In vivo, neural mapping experiments on feline animal models illustrate one mode of use for this class of technology. These concepts provide new capabilities for implantable and surgical devices. Electronics that are capable of intimate integration with the surfaces of biological tissues create opportunities for improving animal/machine interfaces. A bio-interfaced system of ultrathin electronics supported by bioresorbable silk-fibroin substrates is now presented. Mounting such devices on tissue and then allowing the silk to dissolve initiates a conformal wrapping process that is driven by capillary forces.

Flexible, stretchable, and spanning microelectrodes that carry signals from one circuit element to another are needed for many emerging forms of electronic and optoelectronic devices. We have patterned silver microelectrodes by omnidirectional printing of concentrated nanoparticle inks in both uniform and high–aspect ratio motifs with minimum widths of approximately 2 micrometers onto semiconductor, plastic, and glass substrates. The patterned microelectrodes can withstand repeated bending and stretching to large levels of strain with minimal degradation of their electrical properties. With this approach, wire bonding to fragile three-dimensional devices and spanning interconnects for solar cell and light-emitting diode arrays are demonstrated.

Electronic systems that use rugged lightweight plastics potentially offer attractive characteristics (low-cost processing, mechanical flexibility, large area coverage, etc.) that are not easily achieved with established silicon technologies. This paper summarizes work that demonstrates many of these characteristics in a realistic system: organic active matrix backplane circuits (256 transistors) for large ( approximately 5 x 5-inch) mechanically flexible sheets of electronic paper, an emerging type of display. The success of this effort relies on new or improved processing techniques and materials for plastic electronics, including methods for (i) rubber stamping (microcontact printing) high-resolution ( approximately 1 microm) circuits with low levels of defects and good registration over large areas, (ii) achieving low leakage with thin dielectrics deposited onto surfaces with relief, (iii) constructing high-performance organic transistors with bottom contact geometries, (iv) encapsulating these transistors, (v) depositing, in a repeatable way, organic semiconductors with uniform electrical characteristics over large areas, and (vi) low-temperature ( approximately 100 degrees C) annealing to increase the on/off ratios of the transistors and to improve the uniformity of their characteristics. The sophistication and flexibility of the patterning procedures, high level of integration on plastic substrates, large area coverage, and good performance of the transistors are all important features of this work. We successfully integrate these circuits with microencapsulated electrophoretic "inks" to form sheets of electronic paper.

Integrated circuits formed on flexible plastic sheets can be lighter and tougher than those made from conventional materials, as well as being usefully bendy. Semiconductors made from organic small molecules and polymers have shown promise in such applications, but a new carbon-based nanomaterial described in this issue — its creators say — promises higher performance in electronic applications than the currently available options. Cao et al. have developed small- to medium-scale integrated digital circuits consisting of random networks of single-walled carbon nanotubes on plastic substrates. The layouts enable both high mobilities and high on/off ratios and the resulting devices and circuits (consisting of up to 100 transistors) show excellent electronic properties. These new films should be of use for a wide range of applications such as unusual consumer electronic devices, biological sensing and optoelectronics. The ability to form integrated circuits on flexible sheets of plastic enables attributes (for example conformal and flexible formats and lightweight and shock resistant construction) in electronic devices that are difficult or impossible to achieve with technologies that use semiconductor wafers or glass plates as substrates1. Organic small-molecule and polymer-based materials represent the most widely explored types of semiconductors for such flexible circuitry2. Although these materials and those that use films or nanostructures of inorganics have promise for certain applications, existing demonstrations of them in circuits on plastic indicate modest performance characteristics that might restrict the application possibilities. Here we report implementations of a comparatively high-performance carbon-based semiconductor consisting of sub-monolayer, random networks of single-walled carbon nanotubes to yield small- to medium-scale integrated digital circuits, composed of up to nearly 100 transistors on plastic substrates. Transistors in these integrated circuits have excellent properties: mobilities as high as 80 cm2 V-1 s-1, subthreshold slopes as low as 140 m V dec-1, operating voltages less than 5 V together with deterministic control over the threshold voltages, on/off ratios as high as 105, switching speeds in the kilohertz range even for coarse (∼100-μm) device geometries, and good mechanical flexibility—all with levels of uniformity and reproducibility that enable high-yield fabrication of integrated circuits. Theoretical calculations, in contexts ranging from heterogeneous percolative transport through the networks to compact models for the transistors to circuit level simulations, provide quantitative and predictive understanding of these systems. Taken together, these results suggest that sub-monolayer films of single-walled carbon nanotubes are attractive materials for flexible integrated circuits, with many potential areas of application in consumer and other areas of electronics.

Multifunctional capability, flexible design, rugged lightweight construction and self-powered operation are desired attributes for electronics that directly interface with the human body or with advanced robotic systems. For these applications, piezoelectric materials, in forms that offer the ability to bend and stretch, are attractive for pressure/force sensors and mechanical energy harvesters. Here, we introduce a large area, flexible piezoelectric material that consists of sheets of electrospun fibres of the polymer poly[(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene]. The flow and mechanical conditions associated with the spinning process yield free-standing, three-dimensional architectures of aligned arrangements of such fibres, in which the polymer chains adopt strongly preferential orientations. The resulting material offers exceptional piezoelectric characteristics, to enable ultra-high sensitivity for measuring pressure, even at exceptionally small values (0.1 Pa). Quantitative analysis provides detailed insights into the pressure sensing mechanisms, and establishes engineering design rules. Potential applications range from self-powered micro-mechanical elements, to self-balancing robots and sensitive impact detectors.

The Smaller, the Better New semiconductor device technology enables injection of light-emitting diodes, silicon devices, actuators, and sensors at precisely controlled locations within biological tissues, such as the brain. Kim et al. (p. 211 ) show how wireless control of animal models using these technologies and the techniques of optogenetics provide new insights into basic behavioral neuroscience.