ACS Nano: 用于力磁傳感的無柵極摩擦電子學晶體管

葉嵐山 6年前 (2017-11-18) 3310瀏覽

【引言】

近年來，移動互聯網和智能終端的快速發展極大刺激了智能傳感技術在人機交互、人工智能和可穿戴設備等領域內的研究。同時，由于場效應晶體管具有低成本和大規模化等特點，因而被廣泛地應用于電子器件、人機交互和健康監測等領域。但是，傳統場效應晶體管需要通過柵電極接入電信號用于傳感和控制，柵電極的制備工藝復雜，容易損壞，在一定程度上限制了其在可穿戴智能器件上的發展。2014年，中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究組首次提出了摩擦電子學這一新的研究領域，利用摩擦產生的靜電勢作為門極信號來調控半導體中電傳輸與轉化特性，可以用于信息傳感和主動性控制，實現了各種人機交互式功能器件，如機電耦合邏輯電路、觸控型電致發光、接觸式機電存儲，增強型光電轉換，智能觸摸開關、主動式觸覺成像系統、電子皮膚、柔性透明晶體管等。近年來，摩擦電子學得到了國內外學者的廣泛關注和跟蹤研究，成為柔性電子學領域的研究熱點。相信這一新的研究領域能夠為構建下一代人機交互、人工智能和可穿戴設備器件提供更多可能。

【成果簡介】

最近，中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究員和王中林院士領導的科研團隊，與清華大學化學系董桂芳副教授團隊合作，共同研發出一種無柵電極的柔性有機摩擦電子學晶體管。博士生趙俊青和郭航利用一個可移動摩擦層，直接與介電層接觸起電，實現了對晶體管源漏電流(IDS)的調控，該器件可用于傳感觸覺壓力和磁場強度，能夠實現21% Pa-1和16% mT-1的靈敏度，以及優于120 ms的響應時間，具有良好的穩定性和耐久性。該器件基于介電層與外部直接接觸起電來代替傳統柵電壓的傳感機制，能夠有效簡化晶體管中柵電極的制備工藝，避免因器件彎曲造成的柵電極損壞，大大增加其作為傳感器的穩定性和耐久性，建立了一種與外界環境刺激的直接交互機制，在人機界面、電子皮膚、可穿戴電子設備以及智能傳感領域具有廣闊的應用前景。該研究成果以題為Flexible Organic Tribotronic Transistor for Pressure and Magnetic Sensing在ACS Nano進行發表。

【圖文導讀】

圖1. 無柵電極柔性有機摩擦電子學晶體管(FOTT)結構示意圖

(a) FOTT的結構示意圖;

(b) FOTT的顯微鏡圖片;

(c) FOTT等效電路圖。

圖2.增強型FOTT的特性

(a)?Cu片作為移動摩擦層時FOTT的工作原理圖;

(b) 不同分離距離時FOTT的輸出特性;

(c) 源漏電壓為-10V，IDS隨分離距離的變化(分離距離定義為d)。內嵌圖為FOTT的轉移特性。

圖3. 耗盡型FOTT的特性

(a)?? 氟化乙丙烯(FEP)作為移動摩擦層時FOTT的工作原理圖;

(b)? 不同分離距離時FOTT的輸出特性;

(c)?? 源漏電壓為-10V，IDS隨分離距離的變化。內嵌圖為FOTT的轉移特性。

?圖4. FOTT壓力傳感器的結構和性能

(a)壓力傳感器的結構和傳感過程;

(b)周期性按壓傳感器時，IDS的變化;

(c)向傳感器施加20Pa的壓力時，IDS隨FEP厚度的變化關系;

(d)施加不同壓力時，IDS的變化。內嵌圖為壓力和IDS變化關系的擬合曲線。

?圖5. FOTT磁場傳感器的結構和性能

(a) FOTT磁場傳感器的結構和傳感過程;

(b) PDMS/Fe3O4復合膜的AFM圖;

(c) 柔性磁場傳感器實物圖;

(d) 磁鐵接近和遠離傳感器時IDS的變化;

(e) 當磁場強度為200 mT時,IDS隨PDMS/Fe3O4復合膜厚度的變化關系;

(f) IDS隨磁場強度的變化關系。內嵌圖為IDS和磁場強度的變化關系擬合曲線;

(g) 傳感器穩定性測試。經過10000次的循環測試，IDS沒有明顯的變化，這表明FOTT磁場傳感器具有良好的穩定性和重現性。

【總結】

本文利用一個可移動摩擦層，直接與介電層接觸起電，實現了對晶體管源漏電流的調控，研制出一種無柵極摩擦電子學晶體管。這種晶體管可以作為壓力傳感器進一步使用，具有高達21%的高靈敏度和110 ms的快速響應時間。此外,這種FOTT還可用于磁場傳感，其靈敏度可達16% mT-1以及120 ms的響應時間，并且在超過10000次循環測試后仍然具有良好的穩定性和重現性。基于這些優良的性能，該傳感器在人機交互、智能皮膚、可穿戴設備、智能傳感等領域具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Flexible Organic Tribotronic Transistor for Pressure and Magnetic (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b06480)

本文由納米能源所趙俊青提供。

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