噴墨打印制備納米纖維增強(qiáng)彈性體導(dǎo)體

來(lái)源：紡友網(wǎng)

可穿戴柔性電子器件依賴于柔性可拉伸的材料,。近年來(lái)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(duì)通過(guò)噴墨打印技術(shù)制備出了場(chǎng)效應(yīng)遷移率高,，閾值電壓小的柔性場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并利用其離子類型的轉(zhuǎn)換周期來(lái)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(duì)于場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料，閾值電壓越低,，即其工作電壓越低,；而場(chǎng)效應(yīng)遷移率越高，其開(kāi)關(guān)速率越快,。通過(guò)Ids-Vds轉(zhuǎn)移特性曲線,，該器件具有很高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率，平均為27 ± 5 cm2 V-1 s-1,，其開(kāi)關(guān)電流比可以得到104,。其高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率為其提供了很低的閾值電壓，同時(shí)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(chǎng)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(shí)候,。同時(shí)其Ids對(duì)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(lái)模擬突觸間的信息傳遞。

圖1.電子器件設(shè)計(jì)圖,。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,。

圖2.噴墨打印制備可拉伸單壁碳納米管場(chǎng)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(guò)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(jí)的封裝,。9. 定點(diǎn)打印純甲苯在源極上方的SEBS封裝層上開(kāi)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,。

圖3. 噴墨印刷場(chǎng)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(zhǎng)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

圖4 IJ-FET模擬突觸間的信息傳遞a. 一定時(shí)間內(nèi),，微小柵電壓脈沖下對(duì)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(shí)間內(nèi),，脈沖電壓應(yīng)用于柵電極下的電流變化。