喷墨打印制备纳米纤维增强弹性体导体

可穿戴柔性电子器件依赖于柔性可拉伸的材料。近年来由于其应用前景收获了大量的关注。然而，使用传统的加工技术存在很多缺陷。近日，斯坦福大学鲍哲南教授团队通过喷墨打印技术制备出了场效应迁移率高，阈值电压小的柔性场效应晶体管，并利用其离子类型的转换周期来模拟突触间信息的传递。相关论文以“Inkjet-printed stretchable and low voltage synaptictransistor array”为题，发表在《Nature Communication》上。

利用层层喷墨印刷技术将可拉伸的导电材料制备成三极管结构，将PVDF-HFP作为栅极电解质，在Plasma活化后喷墨印刷上PEDOT:PSS作为源电极。然后将SC-SWCNTs和共轭聚合物作为半导体通道，然后再分别印刷上PEDOT:PSS和PVDF-HF形成了三明治的结构。

对于场效应晶体管材料，阈值电压越低，即其工作电压越低；而场效应迁移率越高，其开关速率越快。通过Ids-Vds转移特性曲线，该器件具有很高的场效应迁移率，平均为27 ± 5 cm2 V-1 s-1，其开关电流比可以得到104。其高的场效应迁移率为其提供了很低的阈值电压，同时其较高的跨导特性gm，平均为47±9 μS（Vds=1.1V）也支持了更低的工作电压。它的高场效应迁移率源于其作为栅极电解质PVDF-HFP离子聚合物的双层结构。作为柔性电极，由于栅电极之间连接部分结构容易断裂，它的性能并不能在其应有拉伸范围内仍保持其性质，由于其拉伸方向垂直于碳纳米管的时候。同时其Ids对Vgs的响应特性和响应周期可以与突触间的信息传递相匹配，可以用来模拟突触间的信息传递。

 
图1.电子器件设计图。a.如图所示，晶体管中使用相同的喷墨打印技术增材制造的电子材料都具有内在的拉伸特性。b图中的虚线是所示截面的位置。b器件的截面示意图，每一层的材料都在图中指出。c大面积排布晶体管阵列及其柔性展示。

 
图2.喷墨打印制备可拉伸单壁碳纳米管场效应晶体管（SWCNT-FET）阵列的示意图。

1.在硅晶圆基板上涂上一层聚(4-苯乙烯磺酸钠)（PSS）作为牺牲层，然后喷墨打印PVDF-HFP作为栅极电解质。2.表面通过plasma处理。3.在PVDF-HFP上打印PEDOT:PSS作为底层源漏电极。4.打印聚合物包裹的SC-SWCNTs。5.洗去分选聚合物。6.打印PEDOT:PSS作为顶层源漏电极。7.打印PVDF-HFP进行封装。8. 用热塑性苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)弹性体旋涂一层薄膜，制成系统级的封装。9. 定点打印纯甲苯在源极上方的SEBS封装层上开孔。10.填充DMF为溶剂的多壁碳纳米管导电油墨。11.表面plasma处理。12. 打印PEDOT:PSS。13.构筑SEBS柔性衬底。14.溶解PSS。15.揭下。16.plasma处理。17.打印栅电极：PEDOT:PSS。
 
图3. 喷墨印刷场效应晶体管的电学性质表征a. 可拉伸单壁碳纳米晶体管FET (SWCNT-FET)的转移特性曲线和随栅电压的变化曲线；b. 35阵列FET饱和区域的最大源漏电流柱状图；c. 宽长比为1000m/50m的FET在不同栅电压下的输出特征曲线；d. 垂直（左）和平行（右）于碳纳米管拉伸下的FET的转移特征曲线。E. 32阵列FET饱和区域在未拉伸和不同方向下应变为10%下的最大源漏电流柱状图

 
图4 IJ-FET模拟突触间的信息传递a. 一定时间内，微小栅电压脉冲下对应源漏电流的变化；b. 32次栅电压脉冲下展示出的突触后电流变化，脉冲增加，电流变化增大，脉冲消失，电流恢复；c. 一定时间内，脉冲电压应用于栅电极下的电流变化。