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本征可拉伸摩擦电子学晶体管,实现主动式触觉传感 | 中科院纳米能源所张弛研究团队

作者: Research编辑部

时间: 2020-08-07 15:54

中科院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员课题组报道了一种本征可拉伸有机摩擦电子学晶体管,可用于智能家居设备和机器人控制中的触觉感知。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

论文地址:

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1398903/

研究背景

可拉伸电子器件在可穿戴设备、机器人皮肤、人机界面等方面的应用越来越受到人们的关注。迄今为止,基于压电、电阻、电容、磁性和光学等各种物理传感机制的可拉伸触觉传感器件已经被广泛报道。然而,大部分可拉伸器件的触觉传感机制都是被动式的,缺乏与人/环境的直接交互。这使得信息获取过程复杂化,并进一步影响可拉伸功能器件的触觉感知能力。因此,开发具有主动式传感机制的可拉伸电子器件是非常有必要的。

研究进展

中科院北京纳米能源与系统研究所张弛研究团队通过将摩擦纳米发电机与有机薄膜场效应晶体管耦合,并结合可拉伸半导体材料,提出了一种本征可拉伸的摩擦电子学晶体管。首先,结合P3HT优异的空穴传输能力和弹性介电体PDMS的可拉伸特性,制备了P3HT纳米纤维与PDMS弹性体的混合物,该半导体混合物具有良好的可拉伸特性,可用于制备可拉伸电子器件。然后,采用银纳米线和PDMS分别制备了可拉伸的源漏电极和介电层。最后,通过叠层转移法制备了本征可拉伸的摩擦电子学晶体管SOTT(图1),该晶体管可以在平行和垂直于沟道的两个方向上被拉伸,且具有很好的透明性,对于制备皮肤传感设备具有重要的意义。

图1 本征可拉伸有机摩擦电子学晶体管(SOTT)

图2 SOTT的工作原理与输出性能

SOTT的基本工作原理主要是通过外界摩擦材料与晶体管介电层之间的接触起电来调控半导体载流子输运特性,从而实现对晶体管源漏电流的调控(图2)。通过选用不同电负性的外部摩擦材料,可以实现增强型和耗尽型两种模式。对于增强型的晶体管,可以采用正电性较强的铜作为外界摩擦材料,当铜与介电层PDMS完全接触时,由于材料电负性不同,在铜表面会产生正电荷,而PDMS的表面会产生等量的负电荷。此时,由于静电平衡,对晶体管沟道没有影响。当铜逐渐远离介电层表面时,由于正负电荷不能相互束缚,PDMS上的负电荷会导致内部极化,形成一个内部电场,在沟道中形成一个增强区,使晶体管源漏电流增加。当铜逐渐接近介电层PDMS表面时,极化作用降低,增强区缩小,源漏电流又开始降低直到恢复至原来的值。相反地,选用电负性较强的摩擦材料,如氟化乙丙烯膜等,可以实现耗尽型SOTT。测试结果表明,当铜与PDMS介电层之间的分离距离从0增加到250 μm时,源漏电流从-4.15 μA增加到-5.55 μA。并且在超过1000个接触分离循环后,SOTT仍然具有良好的输出特性,表明其具有良好的耐久性。

图3拉伸状态下SOTT的输出特性

此外,在沿着平行于沟道方向被拉伸50%之后,可以看到器件不会发生断裂,且可以保持良好的输出性能(图3)。为了研究SOTT在机械应力作用下的输出性能,作者研究了SOTT在沿着平行和垂直于沟道方向被拉伸时的输出特性。测试结果表明,当SOTT被拉伸50%时,可以看到器件明显的被拉伸变形,但不会发生断裂。当分离距离从0增加到250 μm时,源漏电流从-1.35 μA增加到了-1.75 μA。当SOTT沿着垂直于沟道方向被拉伸50%,且分离距离从0 增加到 250 μm时,源漏电流从-2.42 μA增加到-2.85 μA。该器件在源漏电压从0~-40 V内变化时,SOTT在被拉伸后也具有良好的输出特性。这些结果表明,SOTT在被拉伸后仍能保持良好的输出性能,这为摩擦电子学在可拉伸智能传感领域的应用带来良好的应用前景。

图4 SOTT作为触觉传感器用于智能家居设备和机器人控制

同时,在平行和垂直于沟道方向被循环反复拉伸时,SOTT显示出了良好的鲁棒性(图4(a)和图4(b))。如图4(a)所示,在循环反复拉伸器件时,SOTT的转移特性曲线只有很小的变化。经过1000次拉伸循环后,最大分离距离处的电流变化量只减小了约10%,显示出SOTT具有较高的稳定性。此外,如图4(c)所示,由于SOTT具有良好的共型特性,可以与人体皮肤共型贴合,这对于构建皮肤电子设备非常有益。由于SOTT结构简单、可拉伸性好、稳定性好,其在主动式触觉传感领域具有广阔的应用前景。因此,为了实现SOTT在主动式触觉传感领域中的应用,作者以SOTT作为触觉传感器实现了对智能家居设备的控制演示。当手指触碰SOTT时可以观察到电流的增加。当手指弯曲和拉伸时,触摸信号仍然可以被拉伸的SOTT感知,这显示了SOTT作为触觉传感器在智能控制系统应用中的巨大潜力。通过SOTT的触觉感知,作者实现了对常见的家居设备的控制,如台灯、报警器和电风扇等。这一实验结果为SOTT在日常生活中带来了许多潜在的应用,比如残疾人自理等。此外,作者将SOTT集成到手指上作为触觉传感器实现了对机器人姿态的控制。无论SOTT有没有被拉伸,都可以通过手指触摸实现对机器人姿态的控制,这些结果显示了SOTT在人机界面、可穿戴电子设备、智能皮肤、机器人等领域的巨大应用潜力。

未来展望

随着电子皮肤和机器人等领域的研究不断取得新的进展,下一代电子器件将实现可拉伸特性。作者提出了一种本征可拉伸的有机摩擦电子学晶体管,它由可拉伸衬底、银纳米线电极、半导体混合物和非极性弹性体介电层组成。可以在平行和垂直于沟道方向被拉伸,具有优异的输出性能。并且SOTT可以与人体皮肤共型贴合,可用于对智能家居设备和机器人控制中的触觉感知。该研究扩展了摩擦电子学在人机界面、穿戴电子、机器人等领域的应用。同时,可拉伸摩擦电子器件作为一种主动式人机交互器件在生物学、化学、材料科学以及相关交叉学科具有尤为重要的应用前景。

作者简介

张弛,中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员,博士生导师,国家基金委“优青”获得者,北京市青年拔尖团队带头人、科技新星,中国科学院青年创新促进会会员,中国新锐科技人物。2004年获华中科技大学学士学位,2009年获清华大学博士学位,曾赴日本NSK精工株式会社研修。主要从事纳米发电机和自驱动微系统领域研究,开创了摩擦电子学新研究方向。发表论文110余篇,引用3600多次;获授权国内外专利30多项;出版中英文专著2章;做国际会议邀请报告20余次。主持国家和省部级科研项目10余项。获评北京市科学技术二等奖、Nano Res.期刊高被引论文奖等。现任中国微米纳米技术学会高级会员、青年工作委员会委员、微纳传感技术分会/微纳执行器与微系统分会理事,NANOSMAT学会会士,IEEE T. Nanotechnol. 期刊副编辑。

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