無柵極摩擦電子學晶體管工作原理示意圖. (b) 用於力磁感測的無柵極柔性摩擦電子學晶體管實物圖. (c) 力磁感測工作原理示意圖. (d) 不同壓力下源漏電流的變化. (e) 不同磁場強度下源漏電流的變化. (f) 手指按壓感測器控制LED燈亮度演示壓力感測. (g) 磁鐵接近感測器控制LED燈亮度演示磁場強度感測.
近年來, 移動互聯網和智能終端的快速發展刺激了智能感測技術在人機交互, 人工智慧和可穿戴設備等領域的研究. 同時, 由於場效應晶體管具有低成本和大規模化等特點, 因而被廣泛地應用於電子器件, 人機交互和健康監測等領域. 但傳統場效應晶體管需要通過柵電極接入電訊號用於感測和控制, 柵電極的製備工藝複雜, 容易損壞, 在一定程度上限制了其在可穿戴智能器件上的發展.
2014年, 中國科學院外籍院士, 中科院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林和研究員張弛率領的研究組, 首次提出了摩擦電子學這一新的研究領域, 利用摩擦產生的靜電勢作為門極訊號來調控半導體中電傳輸與轉化特性, 可以用於資訊感測和主動性控制, 實現了各種人機互動式功能器件, 如機電耦合邏輯電路, 觸控型電致發光, 接觸式機電存儲, 增強型光電轉換, 智能觸摸開關, 主動式觸覺成像系統, 電子皮膚, 柔性透明晶體管等. 近年來, 摩擦電子學得到了國內外學者的廣泛關注和跟蹤研究, 成為柔性電子學領域的研究熱點.
近日, 該科研團隊與清華大學化學系副教授董桂芳團隊合作, 共同研發出一種無柵電極的柔性有機摩擦電子學晶體管. 研究人員利用一個可移動摩擦層, 直接與介電層接觸起電, 實現了對晶體管源漏電流的調控, 該器件可用於感測觸覺壓力和磁場強度, 能夠實現21%Pa-1和16%mT-1的靈敏度, 以及優於120ms的響應時間, 具有良好的穩定性和耐久性. 該器件基於介電層與外部直接接觸起電來代替傳統柵電壓的感測機制, 能夠有效簡化晶體管中柵電極的製備工藝, 避免因器件彎曲造成的柵電極損壞, 增加其作為感測器的穩定性和耐久性, 建立了一種與外界環境刺激的直接交互機制, 在人機界面, 電子皮膚, 可穿戴電子設備以及智能感測領域具有廣闊的應用前景.
相關研究成果發表在ACS Nano上.
