柔性可拉伸材料:通過噴墨打印場效應(yīng)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(yīng)用前景收獲了大量的關(guān)注。然而，使用傳統(tǒng)的加工技術(shù)存在很多缺陷。近日，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授團(tuán)隊通過噴墨打印技術(shù)制備出了場效應(yīng)遷移率高，閾值電壓小的柔性場效應(yīng)晶體管，并利用其離子類型的轉(zhuǎn)換周期來模擬突觸間信息的傳遞。相關(guān)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(shù)將可拉伸的導(dǎo)電材料制備成三極管結(jié)構(gòu)，將PVDF-HFP作為柵極電解質(zhì)，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(dǎo)體通道，然后再分別印刷上PEDOT:PSS和PVDF-HF形成了三明治的結(jié)構(gòu)。

對于場效應(yīng)晶體管材料，閾值電壓越低，即其工作電壓越低；而場效應(yīng)遷移率越高，其開關(guān)速率越快。通過Ids-Vds轉(zhuǎn)移特性曲線，該器件具有很高的場效應(yīng)遷移率，平均為27 ± 5 cm2 V-1 s-1，其開關(guān)電流比可以得到104。其高的場效應(yīng)遷移率為其提供了很低的閾值電壓，同時其較高的跨導(dǎo)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(yīng)遷移率源于其作為柵極電解質(zhì)PVDF-HFP離子聚合物的雙層結(jié)構(gòu)。作為柔性電極，由于柵電極之間連接部分結(jié)構(gòu)容易斷裂，它的性能并不能在其應(yīng)有拉伸范圍內(nèi)仍保持其性質(zhì)，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(yīng)特性和響應(yīng)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(shè)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(shù)增材制造的電子材料都具有內(nèi)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(yīng)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(zhì)。

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(jìn)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(dǎo)電油墨。

11.表面plasma處理。

12. 打印PEDOT:PSS。

13.構(gòu)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(yīng)晶體管的電學(xué)性質(zhì)表征

a. 可拉伸單壁碳納米晶體管FET (SWCNT-FET)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(nèi)，微小柵電壓脈沖下對應(yīng)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(fù)；

c. 一定時間內(nèi)，脈沖電壓應(yīng)用于柵電極下的電流變化。