柔性可拉伸材料:通過噴墨打印場效應遷移率高,模擬突觸間信息的傳遞!

可穿戴柔性電子器件依賴于柔性可拉伸的材料。近年來由于其應用前景收獲了大量的關注。然而，使用傳統(tǒng)的加工技術存在很多缺陷。近日，斯坦福大學鮑哲南教授團隊通過噴墨打印技術制備出了場效應遷移率高，閾值電壓小的柔性場效應晶體管，并利用其離子類型的轉換周期來模擬突觸間信息的傳遞。相關論文以“Inkjet-printed stretchable and low voltage synaptictransistor array”為題，發(fā)表在《Nature Communication》上。

利用層層噴墨印刷技術將可拉伸的導電材料制備成三極管結構，將PVDF-HFP作為柵極電解質，在Plasma活化后噴墨印刷上PEDOT:PSS作為源電極。然后將SC-SWCNTs和共軛聚合物作為半導體通道，然后再分別印刷上PEDOT:PSS和PVDF-HF形成了三明治的結構。

對于場效應晶體管材料，閾值電壓越低，即其工作電壓越低；而場效應遷移率越高，其開關速率越快。通過Ids-Vds轉移特性曲線，該器件具有很高的場效應遷移率，平均為27 ± 5 cm2 V-1 s-1，其開關電流比可以得到104。其高的場效應遷移率為其提供了很低的閾值電壓，同時其較高的跨導特性gm，平均為47 ± 9 μS（Vds=1.1V）也支持了更低的工作電壓。它的高場效應遷移率源于其作為柵極電解質PVDF-HFP離子聚合物的雙層結構。作為柔性電極，由于柵電極之間連接部分結構容易斷裂，它的性能并不能在其應有拉伸范圍內仍保持其性質，由于其拉伸方向垂直于碳納米管的時候。同時其Ids對Vgs的響應特性和響應周期可以與突觸間的信息傳遞相匹配，可以用來模擬突觸間的信息傳遞。

電子器件設計圖 （圖片來源：）

a.如圖所示，晶體管中使用相同的噴墨打印技術增材制造的電子材料都具有內在的拉伸特性。

b圖中的虛線是所示截面的位置。b器件的截面示意圖，每一層的材料都在圖中指出。

c大面積排布晶體管陣列及其柔性展示。

噴墨打印制備可拉伸單壁碳納米管場效應晶體管（SWCNT-FET）陣列的示意圖

1.在硅晶圓基板上涂上一層聚(4-苯乙烯磺酸鈉)（PSS）作為犧牲層，然后噴墨打印PVDF-HFP作為柵極電解質。

2.表面通過plasma處理。

3.在PVDF-HFP上打印PEDOT:PSS作為底層源漏電極。

4.打印聚合物包裹的SC-SWCNTs。

5.洗去分選聚合物。

6.打印PEDOT:PSS作為頂層源漏電極。

7.打印PVDF-HFP進行封裝。

8. 用熱塑性苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)彈性體旋涂一層薄膜，制成系統(tǒng)級的封裝。

9. 定點打印純甲苯在源極上方的SEBS封裝層上開孔。

10.填充DMF為溶劑的多壁碳納米管導電油墨。

11.表面plasma處理。

12. 打印PEDOT:PSS。

13.構筑SEBS柔性襯底。

14.溶解PSS。

15.揭下。

16.plasma處理。

17.打印柵電極：PEDOT:PSS。

噴墨印刷場效應晶體管的電學性質表征

a. 可拉伸單壁碳納米晶體管FET (SWCNT-FET)的轉移特性曲線和隨柵電壓的變化曲線；

b. 35陣列FET飽和區(qū)域的最大源漏電流柱狀圖；

c. 寬長比為1000m/50m的FET在不同柵電壓下的輸出特征曲線；

d. 垂直（左）和平行（右）于碳納米管拉伸下的FET的轉移特征曲線。

E. 32陣列FET飽和區(qū)域在未拉伸和不同方向下應變?yōu)?0%下的最大源漏電流柱狀圖

IJ-FET模擬突觸間的信息傳遞

a. 一定時間內，微小柵電壓脈沖下對應源漏電流的變化；

b. 32次柵電壓脈沖下展示出的突觸后電流變化，脈沖增加，電流變化增大，脈沖消失，電流恢復；

c. 一定時間內，脈沖電壓應用于柵電極下的電流變化。