ACS Nano: 用于力磁传感的无栅极摩擦电子学晶体管

叶岚山 7年前 (2017-11-18) 4077浏览

【引言】

近年来，移动互联网和智能终端的快速发展极大刺激了智能传感技术在人机交互、人工智能和可穿戴设备等领域内的研究。同时，由于场效应晶体管具有低成本和大规模化等特点，因而被广泛地应用于电子器件、人机交互和健康监测等领域。但是，传统场效应晶体管需要通过栅电极接入电信号用于传感和控制，栅电极的制备工艺复杂，容易损坏，在一定程度上限制了其在可穿戴智能器件上的发展。2014年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究组首次提出了摩擦电子学这一新的研究领域，利用摩擦产生的静电势作为门极信号来调控半导体中电传输与转化特性，可以用于信息传感和主动性控制，实现了各种人机交互式功能器件，如机电耦合逻辑电路、触控型电致发光、接触式机电存储，增强型光电转换，智能触摸开关、主动式触觉成像系统、电子皮肤、柔性透明晶体管等。近年来，摩擦电子学得到了国内外学者的广泛关注和跟踪研究，成为柔性电子学领域的研究热点。相信这一新的研究领域能够为构建下一代人机交互、人工智能和可穿戴设备器件提供更多可能。

【成果简介】

最近，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员和王中林院士领导的科研团队，与清华大学化学系董桂芳副教授团队合作，共同研发出一种无栅电极的柔性有机摩擦电子学晶体管。博士生赵俊青和郭航利用一个可移动摩擦层，直接与介电层接触起电，实现了对晶体管源漏电流(IDS)的调控，该器件可用于传感触觉压力和磁场强度，能够实现21% Pa-1和16% mT-1的灵敏度，以及优于120 ms的响应时间，具有良好的稳定性和耐久性。该器件基于介电层与外部直接接触起电来代替传统栅电压的传感机制，能够有效简化晶体管中栅电极的制备工艺，避免因器件弯曲造成的栅电极损坏，大大增加其作为传感器的稳定性和耐久性，建立了一种与外界环境刺激的直接交互机制，在人机界面、电子皮肤、可穿戴电子设备以及智能传感领域具有广阔的应用前景。该研究成果以题为Flexible Organic Tribotronic Transistor for Pressure and Magnetic Sensing在ACS Nano进行发表。

【图文导读】

图1. 无栅电极柔性有机摩擦电子学晶体管(FOTT)结构示意图

(a) FOTT的结构示意图;

(b) FOTT的显微镜图片;

(c) FOTT等效电路图。

图2.增强型FOTT的特性

(a) Cu片作为移动摩擦层时FOTT的工作原理图;

(b) 不同分离距离时FOTT的输出特性;

(c) 源漏电压为-10V，IDS随分离距离的变化(分离距离定义为d)。内嵌图为FOTT的转移特性。

图3. 耗尽型FOTT的特性

(a)   氟化乙丙烯(FEP)作为移动摩擦层时FOTT的工作原理图;

(b)  不同分离距离时FOTT的输出特性;

(c)   源漏电压为-10V，IDS随分离距离的变化。内嵌图为FOTT的转移特性。

 图4. FOTT压力传感器的结构和性能

(a)压力传感器的结构和传感过程;

(b)周期性按压传感器时，IDS的变化;

(c)向传感器施加20Pa的压力时，IDS随FEP厚度的变化关系;

(d)施加不同压力时，IDS的变化。内嵌图为压力和IDS变化关系的拟合曲线。

 图5. FOTT磁场传感器的结构和性能

(a) FOTT磁场传感器的结构和传感过程;

(b) PDMS/Fe3O4复合膜的AFM图;

(c) 柔性磁场传感器实物图;

(d) 磁铁接近和远离传感器时IDS的变化;

(e) 当磁场强度为200 mT时,IDS随PDMS/Fe3O4复合膜厚度的变化关系;

(f) IDS随磁场强度的变化关系。内嵌图为IDS和磁场强度的变化关系拟合曲线;

(g) 传感器稳定性测试。经过10000次的循环测试，IDS没有明显的变化，这表明FOTT磁场传感器具有良好的稳定性和重现性。

【总结】

本文利用一个可移动摩擦层，直接与介电层接触起电，实现了对晶体管源漏电流的调控，研制出一种无栅极摩擦电子学晶体管。这种晶体管可以作为压力传感器进一步使用，具有高达21%的高灵敏度和110 ms的快速响应时间。此外,这种FOTT还可用于磁场传感，其灵敏度可达16% mT-1以及120 ms的响应时间，并且在超过10000次循环测试后仍然具有良好的稳定性和重现性。基于这些优良的性能，该传感器在人机交互、智能皮肤、可穿戴设备、智能传感等领域具有广阔的应用前景。

文献链接：Flexible Organic Tribotronic Transistor for Pressure and Magnetic (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b06480)

本文由纳米能源所赵俊青提供。

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